Fizika, Vadovėlis XI-XII klasei: Makrosistemos 9785430057954

Table of contents :
Molekulines kinetines teorijos pagrindai
Molekulines kinetines teorijos pagrindiniai teiginiai
Medziagos kiekis. Molekuliu mase
Idealiosios dujos. Ju molekuliu greitis
Idealiuju duju slegis. Molekulines kinetines teorijos pagrindine lygtis
Temperatura ir jos matavimas
Absoliucioji temperatura - molekuliu vidutines kinetines energijos matas
Idealiuju duju busenos lygtis
Idealiuju duju busenos lygties taikymas
Nanotechnologija ir jos taikymas praktineje veikloje
Skyriaus ,,Molekulines kinetines teorijos pagrindai" apibendrinimas
Medziagos busenos. Garai ir skysciai
Medziagos busenos
Garai. Sotieji garai ir ju savybes
Virimas. Kritine temperatura
Oro dregnis
Oro dregnio matavimas
Pavirsiaus itemptis. Pavirsiaus itempties jega
Drekinimas ir nedrekinimas
Kapiliariniai reiskiniai
Oru stebejimas. Meteorologija
Skyriaus ,,Medziagos busenos. Garai ir skysciai" apibendrinimas
Kietuju kunu sandara. Kristaliniai ir amorfiniai kunai
Kristaliniai ir amorfiniai kunai
Skystieji kristalai ir ju naudojimas
Cheminiai rysiai kristaluose. Kristalu defektai
Kietuju kunu deformacijos rusys
Kietuju kunu mechanines savybes
Tempimo diagrama
Kompozitai
Skyriaus ,,Kietuju kunu sandara. Kristaliniai ir amorfiniai kunai" apibendrinimas
Termodinamika
Termodinamikos samprata. Kunu vidine energija
Vidines energijos kitimas. Silumos kiekis
Faziniai virsmai
Darbas termodinamikoje
Pirmasis termodinamikos desnis
Pirmojo termodinamikos desnio taikymas. Silumos balanso lygtis
Antrasis termodinamikos desnis
Siluminiai varikliai. Ju naudingumo koeficientas
Vidaus degimo varikliu keliama tarsa
Skyriaus ,,Termodinamika" apibendrinimas

Citation preview

Palmira

Pečiuliauskienė

+

ik

Fizikai?

Palmira

Pečiuliauskienė

Fizika

Vadovėlis XI-XII klasei Makrosistemos

UDK 53(075.3) Pe23

Recenzavo mokytoja ekspertė ALVIDA LOZDIENIĖ, mokytojas ekspertas NARIMANTAS ŽALYS Redaktorė ZITA LIAVAITĖ Dailininkės VY TAU! ZOVIENĖ,

RITA

BRAKAUSKAI!

Vadovėlis atitinka kalbos taisyklingumo reikalavimus Pirmasis leidimas

2016 2015 2012

Visi šio leidimo papildomi tiražai yra be pakeitimų ir galioja. skaičius rodo paskutinius leidinio tiražavimo metus.

Šį kūrinį, esantį bibliotekose, mokymo ir mokslo įstaigų bibliotekose,

muziejuose arba archyvuose, draudžiama mokslinių tyrimų ar asmeninių studijų tikslais atgaminti, viešai skelbti ar padaryti viešai prieinamą kompiuterių tinklais tam skirtuose terminaluose tų įstaigų patalpose.

ISBN

978-5-430-05795-4

O Palmira Pečiuliauskienė, 2012 (O Leidykla „Šviesa“, 2012

Turinys Įvadas / 5

ŠILUMINIAI

2. Medžiagos būsenos. Garai ir skysčiai 2.1. Medžiagos būsenos / 39

REIŠKINIAI

2.2“. Garai. Sotieji garai ir jų savybės / 42 2.3. Virimas. Kritinė temperatūra

1. Molekulinės kinetinės teorijos

2.4. Oro drėgnis / 48

pagrindai

2.5. Oro drėgnio matavimas

1.1. Molekulinės kinetinės teorijos

1.2. Medžiagos kiekis. Molekulių masė

/ 10

1.3. Idealiosios dujos. Jų molekulių greitis / 12 kinetinės teorijos pagrindinė lygtis / 16 / 19

1.6. Absoliučioji temperatūra - molekulių

vidutinės kinetinės energijos matas / 23 1.7. Idealiųjų dujų būsenos lygtis / 26 1.8“. Idealiųjų dujų būsenos lygties

taikymas / 28 1.9. Nanotechnologija ir jos taikymas praktinėje veikloje / 32 Skyriaus „Molekulinės kinetinės teorijos

/ 35

įtempties jėga / 53 2.7. Drėkinimas ir nedrėkinimas

/ 56

2.8. Kapiliariniai reiškiniai / 59

1.4. Idealiųjų dujų slėgis. Molekulinės

pagrindai“ apibendrinimas

/ 50

2.6. Paviršiaus įtemptis. Paviršiaus

pagrindiniai teiginiai / 7

1.5. Temperatūra ir jos matavimas

/ 45

2.9. Orų stebėjimas. Meteorologija / 62 Skyriaus „Medžiagos būsenos. Garai ir skysčiai“ apibendrinimas

/ 64

3. Kietųjų kūnų sandara. Kristaliniai ir

amorfiniai kūnai 3.1. Kristaliniai ir amorfiniai kūnai

/ 67

3.2. Skystieji kristalai ir jų naudojimas / 70 3.3*. Cheminiai ryšiai kristaluose. Kristalų defektai / 73 3.4. Kietųjų kūnų deformacijos rūšys / 75 3.5*. Kietųjų kūnų mechaninės savybės / 78

3.6. Tempimo diagrama / 80

3.7. Kompozitai / 83 Skyriaus „Kietųjų kūnų sandara. Kristaliniai ir amorfiniai kūnai“ apibendrinimas

/ 86

4.Termodinamika 4.1. Termodinamikos samprata. Kūnų vidinė energija / 89 4.2. Vidinės energijos kitimas. Šilumos kiekis / 91 4.3. Faziniai virsmai / 93 4.4*. Darbas termodinamikoje

/ 99

4.5. Pirmasis termodinamikos dėsnis / 101 4.6“. Pirmojo termodinamikos dėsnio taikymas. Šilumos balanso lygtis / 103 4.7. Antrasis termodinamikos dėsnis / 107 4.8. Šiluminiai varikliai. Jų naudingumo koeficientas / 110 4.9. Vidaus degimo variklių keliama tarša / 115 Skyriaus „Termodinamika“

apibendrinimas

/ 118

Laboratoriniai darbai / 120 Priedai

/ 128

Dalykinė ir pavardžių rodyklė

Iliustracijų šaltiniai / 134 Literatūra / 135

/ 132

Įvadas Vadovėlis „Makrosistemos“ skiriamas bendrąjį ir išplėstinį fizikos kursą pasirinku-

siems mokiniams. Jame šiluminiai reiškiniai nagrinėjami medžiagos sandaros ir energijos tvermės dėsnio aspektu.

Vadovėlis sudarytas iš atskirų skyrių. Kiekvienas jų pradedamas trumpa anotacija ir baigiamas santrauka, kurioje pateikiamos svarbiausios sąvokos, dėsniai, schemos, paly-

ginamosios lentelės, formulės. Santrauka padės jums įvertinti savo pasiekimus fizikos

srityje, pasirengti savarankiškam ar kontroliniam darbui, taip pat fizikos egzaminui.

Skyrių medžiaga išdėstyta temomis ir potemiais. Temų pabaigoje pateikiama klausimų ir užduočių, padedančių įtvirtinti mokomąją medžiagą, įsivertinti žinias ir gebėjimus.

Paskutinė kiekvieno skyriaus tema skiriama papildomam skaitymui. Ji sieja skyriuje nagrinėtą medžiagą su kitų mokomųjų dalykų (biologijos, chemijos, istorijos ir pan.)

turiniu, artimiausioje aplinkoje vykstančiais reiškiniais, mokslo ir technikos pažanga, praktinėje veikloje kylančiomis ekologinėmis problemomis. Tarpdalykinius skaitinius

papildo projektai. Juos atlikdami, galėsite patys atrasti įvairių ryšių tarp fizikos ir kitų dalykų, tarp teorijos ir praktikos.

Temos, potemiai ir užduotys, skiriamos išplėstinį fizikos kursą pasirinkusiems moki-

niams, pažymėtos ženklu *, o atitinkamos potemių dalys išskirtos gelsvu fonu. Sąvokos, apibrėžtys ir dėsniai, kuriuos reikia išmokti, vadovėlyje yra išspausdinti

pastorintu šriftu. Jų nereikia mokytis pažodžiui, nes fizikos išmokti mintinai neįmanoma, ją reikia suprasti. Svarbiausios formulės ir dėsnių matematinės išraiškos išskirtos

spalviniu fonu. Skyreliuose „Mokomės savarankiškai spręsti uždavinius“ pateikiama uždavinių spren-

dimo pavyzdžių. Remdamiesi jais, galėsite sėkmingai atlikti savarankiškam darbui skirtas užduotis. Jų atsakymai pateikti šalia mažesniu šriftu. Po uždavinių sprendimo pavyzdžių yra skyreliai „Pasitikrinkite pažangą“ Jų užduotyse aprašyta daug gyvenimiškų situacijų, kurių nagrinėjimas ugdo ne tik dalykines, bet ir bendrąsias kompetencijas.

Vadovėlyje gausu piešinių, nuotraukų, schemų, grafikų, pavyzdžių iš artimiausios aplinkos, fizikos istorijos, informacijos apie naujausius fizikos mokslo laimėjimus. Tai pagyvina fizikos mokymosi turinį, padeda fizikos mokslą suvokti kaip žmonijos bendrosios kultūros dalį.

ŠILUMINIAI REIŠKININIAI Molekulinės kinetinės teorijos pagrindai Eu A ske IVe EE iEiIae Ee medžiagos sandarą, prisiminsite, kas yra Brauno judėjimas, difuzija, temperatūra,

nagrinėsite naują fizikinį modelį - idealiąsias

dujas, išsiaiškinsite, kodėl dujos slegia, kaip matuojama temperatūra naudojant skirtingas temperatūros skales: Celsijaus ir Kelvino. EE see EISS SEO Ee [EE apibūdinančius dydžius (slėgį, tūrį ir temperatūrą) ir jų ryšį.

1.1. Molekulinės kinetinės teorijos pagrindiniai teiginiai Makrosistemų fizikos samprata Mus supa daugybė kūnų: medžiai, automobiliai,

Ši fizikos šaka dar vadinama molekulinė fizika

atomų ar molekulių, vadinami makroskopiniais kūnais. Oras klasėje, dujos vidaus degimo variklyje, ledo gabaliukas, stiklinė vandens yra ma-

fizikos pagrindą sudaro dvi teorijos: molekulinė kinėtinė teorija ir termodinamika. Pirmoji

debesys, žmonės ir kt. Kūnai, sudaryti iš daugelio

kroskopinių

kūnų

pavyzdžiai.

Šių ir kitų kūnų

būsena nusakoma fizikiniais dydžiais, apibūdinančiais visą makroskopinį kūną: slėgiu, tūriu, temperatūra ir pan. Fizikiniai dydžiai, apibūdinantys makroskopinį kūną neatsižvelgiant į medžiagos

molekulinę sandarą, vadinami makroskopiniais

dydžiais. Dydžiai, apibūdinantys kūną sudarančias daleles, vadinami mikroskopiniais dydžiais. Tai- molekulės masė, vidutinis greitis ir

vidutinė kinetinė energija. Makrosistėmų fizika tiria dujas, skysčius ir kietuosius kūnus apibūdinančių ma-

kroskopinių ir mikroskopinių dydžių ryšį.

arba šiluminių reiškinių fizika. Makrosistemų remiasi nuostata,

kad visi kūnai sudaryti iš ne-

tvarkingai judančių dalelių, antroji — energijos tvermės dėsniu, todėl neatsižvelgia į kūnų vidi-

nę sandarą. Molekulinės kinetinės teorijos pagrindiniai teiginiai yra šie:

+ Kūnai sudaryti iš dalelių (atomų, molekulių,

jonų).

+ Tos dalelės nuolat ir netvarkingai juda. + Kūną sudarančios dalelės tarpusavyje sąveikauja — stumia arba traukia vienos kitas. Remiantis minėtais teiginiais, aiškinama ma-

kroskopinių kūnų sandara ir savybės. Toliau šio-

je temoje aptarsime molekulinės kinetinės teorijos pagrindinius teiginius.

Kūnų sandara. Molekulių matmenys Graikų filosofas Demokritas (Demokritos, apie 460 iki Kr.-apie 370 iki Kr.) teigė, kad visos medžiagos sudarytos iš mažų, plika akimi nema-

tomų, nedalomų dalelių — atomų (gr. atomos —

elektronų.

skopais atomus

vėliau - senovės Romos poetas ir mąstytojas Lukrecijus (Lucretius) poemoje „Apie daiktų pri-

gimtį“. Senovės mąstytojų hipotezes beveik po dviejų tūkstančių metų, XIX a., pirmą kartą bandymais patvirtino anglų fizikas ir chemikas Džo-

nas Daltonas (John Dalton, 1766-1844). XX a. anglų

fizikas

Ernestas

Rezerfordas

(Ernest Rutherford, 1871-1937) eksperimentais pagrindė atomo sandarą ir pasiūlė planetinį atomo modelį. Pagal jį atomas sudarytas iš teigiamą krūvį turinčio branduolio ir aplink jį skriejančių

tuneliniais mikro-

pavyko pamatyti — gauti mole-

kulių ir atomų vaizdus (1.1.1 pav.).

nedalus). Po šimtmečio tas pačias mintis reiškė kitas graikų filosofas - Epikūras (Epikuros), kiek

pradžioje

XX a. pabaigoje

1.1.1 pav.

„Atomas - mažiausia chemiškai nedaloma medžiagos dalelė. Atomai jungiasi vieni su kitais, sudarydami molekules. Molekulę sudaro nedidelis skaičius atomų, palyginti su jų skaičiumi

kūne. Molėkulė (lot. molekula - mažytė masė)

dymas rodo, kad 0,001 cm? dydžio aliejaus lašas

pasklinda 5000 cm? plote. Žinant plėvelės plotą, galima apskaičiuoti jos storį, taigi ir molekulės skersmens ilgį:

=

0001Lem? 5107 Gijemr = 2107 em.

(1)

yra mažiausia medžiagos dalelė, kuriai būdingos pagrindinės tos medžiagos cheminės savybės. Yra ir vienatomių molekulių.

muo

Kad molekulės yra labai mažos, galima įsitikinti atliekant paprastą bandymą. Ant vandens

yra dviejų trijų šimtamilijonųjų centimetro dalių dydžio (apie 10“ cm). Molekulių matmenis

reikia užlašinti lašą aliejaus ir palaukti, kol jis pasklis vandens paviršiuje. Kai susidariusios plė-

velės storis prilygs vienos molekulės

matme-

nims (skersmeniui), aliejus nustos plėstis. Ban-

Tikslesni matavimai rodo, kad molekulių skers-

įprasta

(jeigu

reikšti

molekules

laikysime

nanometrais.

rutuliukais)

Molekulės

skers-

mens ilgio matavimo etalonu laikomas 107!" m = = 0,1 nm ilgis. Pačios mažiausios helio moleku-

lės skersmuo yra 0,2 nm ilgio.

Molekulių judėjimas Medžiagą sudarančios molekulės ir atomai juda

netvarkingai. Šis judėjimas vadinamas šiluminiū

judėjimu. Mechaninį judėjimą pastebėti nesun-

ku. Matome važiuojantį automobilį, ropojantį va-

balą, einantį žmogų ir pan. Kūną sudarančių dalelių judėjimą (šiluminį judėjimą) įsivaizduoti nelengva. Šiluminis judėjimas būdingas kiekvienam mus supančiam kūnui: vandens lašeliui, dujų pripildytam balionui, ledo gabaliukui, žmogaus

mų ir molekulių šiluminio judėjimo, vadinami

skysčio molekulių (1.1.3 pav.). Atsitiktiniai jų

smūgiai nekompensuoja vieni kitų. Net ir maža atstojamoji šių smūgių jėga priverčia skystyje

plaukiojančią lengvą dalelę judėti. Vadinasi, ne-

nutrūkstamo dalelių judėjimo skystyje priežastis — nuolatiniai jų susidūrimai su skysčio mo-

lekulėmis. Toks netvarkingas dalelių judėjimas buvo pavadintas Brauno judėjimu. Taigi Brauno judėjimas - skysčiuose (arba dujose) esančių dalelių šiluminis judėjimas.

šiluminiais reiškiniais. Rasos ir rūko susidary-

mas, ledo tirpimas, vandens virimas, dujų skystė-

jimas — tai vis šiluminiai reiškiniai, kuriuos nagri-

nėja makrosistemų fizika.

Ci

Šiluminį judėjimą aptiko škotų botanikas Ro-

2

bertas Braunas (Robert Brown,

1773-1858). At-

likdamas bandymus, 1827 m. jis pastebėjo, kad žiedadulkės vandens lašelyje nuolat netvarkingai

1 pagrindai

juda (1.1.2 pav.). Kodėl jos juda, mokslininkas

p

9 £ “ E £ “ £k r E £ 3k a E] z

paaiškinti negalėjo. Jis iškėlė hipotezę, kad kai kurioms organinėms medžiagoms būdinga „gyvoji jėga“. Tačiau dujose ir skystyje juda ir neorganinės kilmės dalelės.

Dalelių

judėjimo

paaiškino Albertas

skystyje

Einšteinas

priežastį

11.2 pav.

1905 m.

(Albert Einstein).

Pasak jo, skystyje plaukiojančių dalelių judėjimą sukelia netvarkingas to skysčio molekulių

judėjimas. Tuo pat metu į dalelę atsitrenkia daug

113 pav.

Jis niekada nesiliauja. Einšteinas teoriškai įrodė,

ar dulkelių

skaičiaus, masės ir dydžio.

jami jautrūs prietaisai, kurių rodyklės ima virpėti dėl aplinkos atomų šiluminio judėjimo. Toks

kaip Brauno judėjimas priklauso nuo molekulių Brauno

judėjimą galima

stebėti ne tik skys-

čiuose, bet ir dujose. Tikriausiai teko matyti rūko

Medžiagos

dalelių

judėjimą

judėjimą

saulės

spindulių

pluošte.

Moderniose technologijose matavimams naudovirpėjimas taip pat vadinamas Brauno judėjimu.

patvirtina difū-

zija (lot. diffusio — sklidimas, išsiliejimas). Ji la-

bai svarbi gyvojoje gamtoje. Dėl difuzijos maisto

medžiagos patenka iš žarnyno į kraują, deguo-

nis — į žmogaus organizmą, vanduo ir minera-

linės medžiagos — į augalų šaknis (1.14 pav.). Difūzija vadinamas savaiminis skirtingų

medžiagų maišymasis. Ją paaiškina moleku-

linė kinetinė teorija: skirtingos medžiagos susimaišo dėl to, kad jų molekulės juda. Dėl difuzi-

jos užtiškęs rašalas įsigeria į stalą, sklinda kvapai. Difuzija vyksta ne tik dujose bei skysčiuose, bet

ir kietuosiuose kūnuose. Bandymai ir aplinkos reiškiniai rodo, kad di-

fuzija priklauso nuo temperatūros. Kylant temperatūrai, difuzija vyksta sparčiau, nes greičiau juda medžiagas sudarančios molekulės.

Molekulių sąveika Medžiagos molekulės tarpusavyje sąveikauja —

veikia vienos kitas traukos ir stūmos

jėgomis.

Dėl traukos jėgų molekulės sudaro skysčius ir

kietuosius kūnus. Jeigu šios jėgos neveiktų, mo-

lekulės išsisklaidytų ir visos medžiagos būtų du-

jinės. Molekulių tarpusavio trauka galima paaiš-

kinti medžiagų litavimą ir klijavimą. Dėl stūmos jėgų medžiagos priešinasi gniuždymui — skysčius

ir kietuosius kūnus sunku suspausti. Kokia yra

šių jėgų prigimtis?

Molekulė sudaryta iš atomų, o šie — iš teigia-

mąjį

krūvį

turinčių

branduolių

ir neigiamąjį

krūvį turinčių elektronų. Atomai yra elektriškai

neutralūs, nes teigiamasis jų krūvis lygus neigiamajam krūviui. Tokios pat yra ir molekulės, ta-

čiau jos veikia vienos kitas elektrinėmis jėgomis, nes sąveikauja gretimų molekulių branduoliai ir

elektronai. Žinome, kad vienarūšiai krūviai vie-

ni kitus stumia, o įvairiarūšiai traukia. Todėl gretimų atomų branduoliai (taip pat ir elektronai)

vieni kitus stumia, o gretimų atomų branduoliai

ir elektronai traukia. Vadinasi, molekulių tarpusavio sąveika yra elektrinė. Molekulių sąveikos jėgų atstojamoji lygi stūmos ir traukos jėgų modulių skirtumui. Kaip šios atstojamosios modulis

priklauso nuo atstumo tarp molekulių?

Norėdami tai suprasti, pirma išsiaiškinkime traukos ir stūmos jėgų kitimą. 1.1.5 paveiksle

pavaizduota

dešiniąją

molekulę

veikiančių

jėgų modulio priklausomybė nuo atstumo. Kai

atstumas tarp molekulių (arba atomų) yra 2-3 kartus

didesnis

už

molekulės

skersmenį,

stū-

mos jėgos lygios nuliui ir reiškiasi tik traukos jėgos. Dvi viena prie kitos artėjančias molekules

veikia traukos ir stūmos jėgos, tačiau dominuo-

ja traukos jėgos. Kai atstumas tarp molekulių

centrų pasidaro lygus molekulių spindulių ilgių

r„sumai, stūmos jėgos padidėja tiek, kad susilygina su traukos

jėgomis.

Tai dviejų molekulių

pusiausvyros padėtis. Tuomet stūmos ir traukos

jėgų atstojamoji lygi nuliui: F. = 0. Toliau ar-

tinant molekules, stūmos jėgos persveria traukos jėgas ir ima labai sparčiai didėti, kai atomų apvalkalai pradeda dengti vieni kitus. Stūmos jėgos stengiasi grąžinti molekules į pusiausvyros padėtį. Tiek molekulių stūmos, tiek traukos jėgos vadinamos

artisiėkėmis jėgomis, nes, atstumui

didėjant, jos greitai silpnėja. Kai atstumas tarp molekulių yra didesnis už 10 m (tai prilygs-

ta dešimčiai molekulių skersmenų), jų sąveikos jėgų galima nepaisyti.

Nanotechnologijos' mokslo pradininkas fizikas Ričardas Feinmanas (Richard Feynman) rašė: „Jeigu, įvykus kokiai nors pasaulio katastrofai, visos sukauptos mokslo žinios būtų sunaikin=tos ir ateities kartoms išliktų tik viena frazė, tai

Ką vadiname Brauno judėjimu? Kaip šis judė-

žodžių, suteiktų daugiausia informacijos? Aš

Plunksna nukrinta greičiau už mažą dulkelę.

yra sudaryti iš atomų — mažų kūnelių, kurie nuolat juda, būdami nedideliais atstumais traukia vienas kitą, bet glaudžiau prispausti vienas nuo kito atsistumia.“ Vienoje toje frazėje, kaip jūs įsitikinsite, slypi neįtikėtinas kiekis informacijos apie pasaulį, reikia tik trupučio vaizduotės ir šiek tiek nuovokos.“ Kiek molekulinės kinetinės teorijos pagrindinių teiginių randate šioje citatoje? Įvardykite juos.

Paaiškinkite litavimą, klijavimą ir dažymą.

koks teiginys, sudarytas iš mažiausio skaičiaus manau, kad tai atominė hipotezė: „Visi kūnai

jimas priklauso nuo temperatūros? Pateikite pavyzdžių.

Kodėl smulkios augalų sporos skystyje juda labai intensyviai, o stambios — vos pastebimai?

Kodėl?

Palyginkite difuzijos greitį dujose, skysčiuose

ir kietuosiuose kūnuose.

Paieškokite internete interaktyvių mokymosi

objektų, susijusių su difuzijos reiškiniu, kūną sudarančių dalelių judėjimu. Remdamiesi jais, išsiaiškinkite, kaip difuzija priklauso nuo aplinkos temperatūros.

1 pagrindai

"Plačiau apie nanotechnologiją skaitykite 1.9 temoje „Nanotechnologija ir jos taikymas praktinėje veikloje“ "Karazija R. Fizika humanitarams: klasikinė fizika. D. 1. V: TEV, 1996. P. 99.

—

“ 2 9 £ “ E g “ £k r E £ 3= a Cl z

1.1.5 pav.

1.2. Medžiagos kiekis. Molekulių masė Medžiagos kiekio nustatymas. Avogadro konstanta Apie medžiagos kiekį galima spręsti iš ją su-

darančių dalelių skaičiaus. Kuo daugiau dalelių,

tuo didesnis medžiagos

kiekis. Bet kurią me-

džiagą sudaro nepaprastai daug molekulių. Bandymais

nustatyta,

kad

normaliomis

sąlygomis

(esant 0 *C temperatūrai ir 760 mm Hg slėgiui)

viename

kubiniame

centimetre bet kokių dujų

yra apie 2,7 - 10" molekulių. Kad galėtume ge-

riau suvokti, koks tai skaičius, palyginkime jį su mums įprastais dydžiais. Jei tiek plytų, kiek

molekulių yra 1 cm? dujų normaliomis sąlygomis, glaudžiai sudėtume vieną šalia kitos, jos pa-

dengtų visą Žemės rutulio sausumą 120 m storio sluoksniu (šis storis maždaug 4 kartus didesnis už septyniaaukščio namo aukštį).

Kaip apskaičiuoti medžiagą sudarančių dalelių skaičių? Šiai problemai spręsti pasitelkime

buitinį pavyzdį. Parduotuvėje pirkdami smulkių daiktų, pavyzdžiui, saulėgrąžų sėklų, jų neskaičiuojame vienetais (neperkame 500 saulėgrąžų sėklų), o norimą pirkinio kiekį reiškiame masės vienetais (perkame

100 g saulėgrąžų sėklų).

Nustatant medžiagos kiekį, taip pat nurodomas ne absoliutusis, bet santykinis jos dalelių skaičius. Medžiagos dalelių skaičius palyginamas su

lekulių arba atomų yra tiek pat, kiek 12 g

anglies izotopo

atomo masę, galima turi 12 g anglies:

1

atomų

=

|

(normaliomis sąlygomis) yra 6,02 - 1095 dalelių". Matavimo

vienetas mol“! rodo, kad N, yra ato-

mų skaičius viename molyje medžiagos. XIX a.

italų mokslininko Amadėjo Avogadro (Amedeo

Avogadro) garbei dalelių skaičius viename moly-

je buvo pavadintas Avogadro konstanta“. Medžiagos kiekis v lygus tam tikro kūno molekulių skaičiaus N ir Avogadro konstantos N, santykiui, t. y. molekulių skaičiui

viename molyje:

v- J.

(1.2)

Molekulių masė

Molio masė Skirtingų medžiagų (vandenilio, helio, deguo-

nies ir pan.) viename

molyje yra tiek pat ato-

mų ir molekulių. Tačiau įvairių medžiagų vieno

molio masė skiriasi, nes nevienoda jų molekulės

masė (m,). Pavyzdžiui, vieno molio vandenilio

masė yra mažesnė negu helio, o helio - mažesnė negu deguonies. Medžiagos vieno molio masė vadinama molio masė (M):

M = mN,moliui (kg/mol).

kg,

kiek

Taigi viename molyje bet kokios medžiagos

vadinamas medžiagos kiekis, kuriame mo-

molio

apskaičiuoti,

N, = 0,012 mol 1995-10 kg = 6,02 -10* mol“!.

jų skaičiumi, esančiu viename molyje. Moliū

Medžiagos

('2C)!. Žinant vieno anglies

masė

(1.3)

reiškiama kilogramais

Medžiagos masė lygi vienos molekulės masės

m, ir molekulių skaičiaus N sandaugai:

Kūnai yra sudaryti iš daugybės labai mažų molekulių. Norint apskaičiuoti vienos molekulės

masę (m,), reikia medžiagos masę (m) padalyti iš

molekulių skaičiaus (N):

m, =T =

= 1

(1.6)

Molekulės masė yra labai maža — apie 10“? g.

Todėl paprastai skaičiuojama ne absoliučioji, bet santykinė jos vertė. Atomų

ir molekulių

masės

s 1 ši r lyginamos su 55 anglies atomo masės. Sis sprendimas buvo priimtas dėl to, kad anglis įeina į daugelio cheminių elementų sudėtį, antra vertus, daugiklis —

priartina santykinių atominių

(1.4)

masių vertes prie sveikųjų skaičių. Medžiagos

Atsižvelgę į 1.3 ir 1.4 formulę, medžiagos kiekį

"Vienas molis dujų normaliomis sąlygomis (t 0*C, p 1,013- 10? Pa) užima tūrį, lygų 22,4 litro. "Spalio 23-iąją nuo 6.02 h ryto iki 6.02 h vakaro (18.02 h) chemikai švenčia molekulės arba molio dieną. Ši data pasirinkta dėl Avogadro konstantos, kuri lygi 6,02 10". "Mokslo istorija byloja, kad šį skaičių 1865 m. pirmasis gavo Johanas Jozefas Lošmitas (Johann Joseph Loschmidi). Todėl Vokietijoje šis skaičius iki šiol vadinamas Lošmito skaičiumi.

m=

mN.

(1.2) galime išreikšti medžiagos masės ir jos molio masės santykiu:

y=

(1.5)

11

santykinė molekulinė masė M, vadinamas tos medžiagos molekulės masės m, ir + anglies atomo masės im, santykis:

M,=—

257I

m

(1.7)

Elemento santykinė atomine masė A, vadina-

mas vidutinės elemento atomo masės ir 5 anglies atomo masės santykis. Cheminių elementų santykinės atominės

ma-

sės yra tiksliai išmatuotos ir pateiktos periodinėje cheminių elementų lentelėje. Norint apskaičiuoti

C

Apibūdinkite molekulių masę ir skaičių.

G)

Įrodykite, kad kiekvienos medžiagos mole-

kulių skaičių galima išreikšti formule

N= N, Zi.

„Apskaičiuokite, kiek molekulių yra 290 g val-

gomosios druskos.

(2,98: 102)

Įrodykite, kad molio masę M ir santykinę molekulinę masę M, sieja ryšys

M = 10*M, kg: mol !.

Apskaičiuokite azoto N, molio masę.

p

E E] z

dėti tos medžiagos molekulę sudarančių elemen-

tų santykinės atomines mases. Pavyzdžiui, apskai-

čiuokime NaCl (valgomosios druskos) santykinę

molekulinę masę. Kadangi natrio santykinė ato-

minė masė lygi 23, o chloro— 35, tai NaCl santykinė molekulinė masė lygi 23 + 35 = 58. Atkreipiame jūsų dėmesį į tai, kad daug šioje temoje aptartų sąvokų ir dydžių nagrinėjote per

chemijos pamokas. Todėl, atliekant šios temos užduotis, siūloma pavartyti chemijos dalyko užrašus.

Kiek molekulių yra trijuose moliuose deguonies; helio? „Apskaičiuokite 30 mol anglies dioksido masę.

(1.32 ką)

Šaukštelis, kurio paviršiaus plotas 15 cm“, padengtas plonu 2 ym storio sidabro sluoksniu. Apskaičiuokite, kiek sidabro atomų yra šiame sluoksnyje. (1.756:10*0) Prisiminkite, ką apie kūną sudarančių molekulių ir atomų masę, jų skaičių sužinojote per chemijos pamokas.

1.3. Idealiosios dujos. Jų molekulių greitis

1 pagrindai

“ 2 9 8 “ E g “ £k r E E =El

medžiagos santykinę molekulinę masę, reikia su-

Idealiosios dūjos yra fizikinis realiųjų dujų modelis. Jos labai panašios į praretintas realiąsias dujas, kuriose vidutinis atstumas tarp molekulių

yra daug didesnis už jų matmenis. Idealiosioms dujoms būdingos šios savybės:

+ molekulių tūris yra labai mažas, palyginti su

indo tūriu;

+ molekulių neveikia traukos jėgos;

+ molekulių

judėjimo (kinetinė) energija yra

daug didesnė už jų tarpusavio sąveikos (potenci-

nę) energiją;

+ molekulių

stūmos

jėgos atsiranda tik tada,

kai molekulės susiduria viena su kita arba su indo sienelėmis;

+ molekulių smūgiai yra tamprūs.

Vakuumas Kaip minėjome, fizikinis modelis — idealiosios

nesusiduria. Vadinasi, molekulių laisvasis kelias

smarkiai praretintos realiosios dujos vadinamos

susidūrimo iki kito) sutampa su indo matmeni-

dujos — yra praretintos

vakuumu

(tuštuma).

realiosios

Vakuumas

dujos.

(t. y. atstumas, kurį molekulė nulekia nuo vieno

Labai

skirstomas

superdidelį, didelį, vidutinį ir mažą. Kai vakuumas yra superdidelis, dujų molekulės, nulėkdamos nuo vienos indo sienelės iki kitos, beveik

į

mis. Šiuolaikinė vakuuminė technika dujas gali praretinti tiek, kad jų slėgis siektų tik 107! Pa. Superdideliu vakuumu pagrįstos tikslios elektroninės technologijos.

Dujų molekulių greičių įvairovė tingais greičiais. Susiduriančių molekulių greitis nuolat kinta. Norėdami geriau įsivaizduoti, kokie

tokiu greičiu. Vieni rieda mažesniais greičiais, kiti, kurių vairuotojai nepaiso kelių eismo taisyklių reikalavimų!, — didesniais, tačiau daugu-

kime automobilių judėjimo pavyzdžiu. Žinome,

molekulėmis. Dauguma jų juda artimais viduti-

Dujų molekulių yra labai daug ir jos juda skir-

skirtingi yra dujų molekulių greičiai, pasinaudo-

kad didžiausias leidžiamasis automobilių greitis kelyje Vilnius-Kaūnas yra 110 km/h. Tačiau tai nereiškia, kad visi automobiliai

ma laikosi ribinio greičio. Panašiai yra ir su dujų niam

lėčiau.

greičiais, bet yra ir judančių greičiau bei

važiuoja būtent

Dujų molekulių judėjimo

trajektorijos

Molekulių judėjimo greitis prilygsta patrankos sviedinio judėjimo greičiui. Tačiau, nepaisant didelių molekulių judėjimo greičių, kvapai

plinta lėtai. Šį prieštaravimą galima paaiškinti

atsižvelgiant į molekulių susidūrimus, dėl kurių jos juda sudėtingomis laužtėmis (1.3.1 pav.).

Apskaičiuota,

kad

kiekviena

azoto

molekulė,

esant 09C temperatūrai ir normaliam atmosfe-

ros slėgiui, per Is susiduria su kitomis mole-

kulėmis apie 7,5 milijardo kartų. Jos kelias nuo vieno susidūrimo iki kito siekia vos 6 + 10“ cm. Molekulė labai greitai juda laužte, tačiau jai nu-

1.3.1 pav. skrieti nuo vieno taško (A) iki kito (B) prireikia kelių dešimčių sekundžių. Mat laužte molekulė nueina daug ilgesnį kelią nei jos poslinkis AB.

*Molekulių greičių matavimas

Pirmą kartą molekulių greičiai buvo išmatuo-

ti 1920 m. Vokiečių fizikas Otas Šternas (Otto Stern,

1888-1969)

atliko bandymą,

kurio metu

nustatė sidabro molekulių greičius. Bandymui jis naudojo du bendraašius cilindrus (1.3.2 pav., a).

Iš jų buvo išsiurbtas oras, vidiniame cilindre pa-

darytas siauras vertikalus plyšys, o išilgai ašies ištempta plona pasidabruota platininė viela. Tekant

elektros

srovei, platininė viela kaisdavo

ir

nuo jos paviršiaus garuodavo sidabras. Kai cilin-

"aip elgtis negalima.

13

drai nesisuko, sidabro atomai nusėsdavo ant vidinės išorinio cilindro sienelės tiesiai priešais ply-

šį, sudarydami pastebimą juostelę (1.3.2 pav., a). Cilindrams sukantis pastoviu kampiniu w,

sidabro

juostelė

atsidurdavo

kitoje

greičiu

vietoje

(1.3.2 pav., b). Mat kol sidabro atomai nueida-

vo atstumą nuo plyšio S iki išorinio cilindro, šis spėdavo pasisukti atstumu AB. Sidabro atomų judėjimo greitį galima išreikšti taip:

L

"=N*P

lo

(R, - Rijo

TS

(1.8)

Iš 1.8 formulės išplaukia, kad, norint nustatyti sidabro atomų judėjimo greitį, reikia išmatuoti kampą 6 tarp dviejų juostelės padėčių ir atstumą! = R, - R,, taip pat žinoti cilindrų sukimosi

kampinį greitį. Bandymais

išmatuoti

sidabro

atomų

greičiai

sutapo su molekulinės kinetinės teorijos numatytomis vertėmis. Eksperimento rezultatai

1.3.2 pav,a

rodo, kad sidabro atomų greitis lygus maždaug

600 m/s. Sukantis cilindrams susidariusi sidabro juostelė neturėjo tikslių kontūrų, vadinasi, esant tai pačiai temperatūrai, sidabro atomų, nusėdusių vidurinėje juostelės dalyje, greičiai savo dydžiu buvo artimi vienas kitam. Neįmanoma iš anksto

pasakyti, kokiu greičiu ir kokia kryptimi judės vienas ar kitas atomas, tačiau galima įžvelgti tam tikrą atomų pasiskirstymą pagal greičius. Dauguma atomų juda greičiais, artimais tam tikram greičiui, kuris vadinamas labiausiai tikėtinu. Mūsų pavyzdyje tai — 600 m/s greitis. Ci

2

*Idealiųjų dujų molekulių greičių statistinis aiškinimas Rasti kiekvienos dujų molekulės akimirkinį (momentinį) greitį praktiškai yra neįmanoma,

1 pagrindai

Statistiškai įvertinant dujų molekulių

judėji-

mo greičius, nebūtina matuoti kiekvienos mole-

todėl nagrinėjama tikimybė, kad idealiųjų dujų

kulės greitį. Šiuo atveju svarbi greičio vidutinė

Džeimsas Klarkas Maksvelas (James Clark Max-

čiuojant dujų

molekulė

p

8 £ “ E g 7 gk r E £ 3= a E] z

turi vienokį

ar kitokį

greitį.

XIX a.

well) teoriškai įrodė, kad galima nustatyti, kuri

dalis molekulių juda tam tikru greičiu. Ta greičio vertė, kurią apytiksliai įgyja didžiausia dalis molekulių, vadinama tikimiausiuoju greičiū.

Dujų molekulių greičiams matematinė statistika.

nagrinėti

taikoma

vertė, arba greičio vidurkis. molekulių

kvadrato vidurkis:

slėgį, imamas

Z7-Aiutui

7

Pavyzdžiui, skai-

“

"i

greičio

(19)

Greičio vektoriaus modulio kvadratas lygus jo projekcijų koordinačių ašyse kvadratų sumai. Kryptys Ox, Oy ir Oz dėl netvarkingo moleku-

lių judėjimo yra lygiavertės, todėl greičio vekto-

riaus projekcijos kvadrato vidurkis lygus į greičio kvadrato vidurkio:

Dujų

molekulių

(1.10)

1Ž0.

sl

=

greičių

skirstinį

galima

pa-

vaizduoti grafiškai. 1.3.3 paveiksle matote, kaip

pasiskirsto azoto molekulių greičiai, esant 100 K

200 | 400

1000

Kas būdinga idealiosioms dujoms? Išvardyki-

te pagrindinius jų požymius.

Apskaičiuokite savo rankos pirštų ilgio

vidurkį.

ir 1000 K temperatūrai!. Koordinačių sistemos

horizontaliojoje ašyje atidėtas molekulių greitis, vertikaliojoje ašyje — molekulių skaičius. Įkai-

tusių dujų molekulių greičiai didesni, todėl jų skirstinį vaizduojanti kreivė horizontalia kryptimi yra platesnė. Šį skirstinį apibūdina vadinamoji Maksvelo funkcija. Daugiau apie tai sužinosite mokydamiesi fizikos aukštojoje mokykloje.

100

ia) 20 0 20

Is

m,

Atliekant Šterno bandymą, išorinio cilindro

vidiniame paviršiuje atsiradęs ruoželis buvo išblukęs. Kokią išvadą galima iš to padaryti?

Išorinio cilindro (žr. 1.3.2 pav.) skersmens

Kam lygus molekulių greičio projekcijos Ox ašyje vidurkis?

ilgis 25 cm, vidinio - 8 cm. Cilindrai sukasi

Apibūdinkite dujų molekulių judėjimo greitį,

sidabro juostelės padėčių.

judėjimo trajektoriją.

Kiek kartų galima apjuosti Žemę per pusiaują virvele, sudaryta iš 1 cm? esančių deguonies molekulių? Deguonies molekulės skersmuo yra 3:10 V m ilgio. (200 kartų)

Ar galima Šterno metodu nustatyti vienos molekulės greitį? Jei manote, kad taip, atsakymą pagrįskite.

"Pagal Celsijaus skalę temperatūra lygi -173 €C ir 727 C.

50 Hz dažniu. Sidabro atomų greitis lygus 600 m/s. Apskaičiuokite kampą p tarp dviejų

(5,19)

Kokiu greičiu Šterno bandyme judėjo sidabro garų molekulė, jei jos kampinis poslinkis, įrenginiui sukantis 150 s ! dažniu, sudarė 5,49, o atstumas tarp išorinio ir vidinio

cilindro buvo 2 cm?

(200 m/s)

Paieškokite internete virtualių mokymosi

objektų. paaiškinančių dujų molekulių judėjimą. Stebėkite, kaip kinta dujų molekulių greitis, kintant temperatūrai.

1.4. Idealiųjų dujų slėgis. Molekulinės kinetinės teorijos pagrindinė lygtis Idealiųjų dujų slėgio aiškinimas Remiantis idealiųjų dujų modeliu, galima paaiškinti šių dujų slėgį. Dujų atomai ar molekulės juda dideliais greičiais (didesniais už garso greitį ore), dideliais nuotoliais ir nuolat susiduria su indo, kuriame yra, sienelėmis (1.4.1 pav.). Kiekviena molekulė per labai trumpą laiką paveikia sienelę nedidele jėga (1.4.2 pav.). Susumavus visas šias jėgas, gaunama atstojamoji jėga, kurią galima išmatuoti. Atstojamoji jėga, tenkanti plo-

to vienetui, yra dūjų slėgis. Kadangi molekulės juda visomis kryptimis vienodai, tai slėgis į visas indo sieneles taip pat vienodas. Jį matuojant, manometras

rodo vidutinę laiko atžvilgiu jėgą,

veikiančią kiekvieną sienelės ploto elementą.

Akivaizdu, kad dujų slėgis yra tuo didesnis, kuo daugiau molekulių per tam tikrą laiką susiduria su indo sienelėmis ir kuo didesniu greičiu jos juda. Norėdami įtvirtinti idealiųjų dujų slėgio sam-

pratą, atlikite nesudėtingą bandymą. Tarp dviejų

143 pav. knygų įdėkite popieriaus lapą ir ant jo vienoda

srovele berkite smėlį (1.4.3 pav.). Popieriaus lapas palinksta, tarytum jį veiktų pastovi jėga. TaČiau iš tikrųjų popierius deformuojasi dėl atskirų smėlio kruopelių poveikio.

*Molekulinės kinetinės dujų teorijos pagrindinė lygtis Molekulinės

kinetinės

dujų

teorijos

pagrin-

dinė lygtis sieja makroskopinį dydį — dujų slėgį - su mikroskopiniais dydžiais, apibūdinančiais

molekules ir jų judėjimą. Ją išvedant, remiamasi

nuostata, kad idealiųjų dujų molekulės sąveikauja su indo sienelėmis pagal mechanikos dėsnius

t

2

1 pagrindai

14.1 pav.

Jėga

Jėga vieno

susidūrimo

metu

Vidutinė jėga

p

8 £ “ E g “ gbi r E £ 3E £ E z

taip pat kaip tamprieji kūnai. Apskaičiuokime cilindre esančių dujų slėgį į stūmoklį (1.4.4 pav.). Jei stūmoklis yra statmenas

14.2 pav.

Laikas

šome

į 1.11 formulę.

Gauname

molekulinės

i

i

si

kinėtinės dūjų teūrijos pagrindinę Iygtį: p=

Lamu.

(1.14)

Ji idealiųjų dujų makroskopinį dydį — slėgį p -

14,5 pav.

išreiškia mikroskopiniais dydžiais: dujų moleku-

[5 |=|šą|

lės mase mų, molekulių koncentracija n ir greičio

koordinačių ašiai Ox, tai dujų slėgis p lygus jėgos

IF (visų stūmoklį veikiančių molekulių jėgų atstojamosios) ir stūmoklio ploto S santykiui:

(1.11) Norėdami

rasti

jėgų

atstojamąją,

pirma

turi-

me sužinoti, kokio dydžio jėga stūmoklį veikia viena molekulė.

Ją apskaičiuojame

remdamiesi

kvadrato vidurkiu +*. Idealiųjų dujų slėgis yra tiesiogiai proporcingas molekulės masės, molekulių skaičiaus tūrio vienete ir mole-

kulių greičio kvadrato vidurkio sandaugai.

1.14 lygties dešiniąją pusę padauginę ir padaliję

iš 2 ir atsižvelgę į tai, kad vienos molekulės ki-

mo?

netinė energija E, = „ molekulinės kinetinės 2 dujų teorijos pagrindinę lygtį galime užrašyti taip:

antruoju Niutono dėsniu ir atsižvelgę į tai, kad

(1.15)

Av, = |v-04| = 20, (1.4.5 pav.):

. F 1x = mą

Randame

dujų

20,

(1.12)

Ai

molekulių,

susiduriančių

su

stūmokliu, skaičių. Per laiką At į stūmoklį atsitrenkia tik tos molekulės, kurios spėja jį pasiekti (1.4.6 pav.):

AN = ŽnAV = LnSo At.

1.13

formulėje

dydis

n žymi

Vadinasi, idealiųjų dujų slėgis yra tiesio; proporcingas molekulių slenkamojo judėjimo vidutinei kinetinei energijai.

(1.13)

molekulių

kon-

centraciją, o daugiklis l reiškia, kad stūmoklio link juda tik pusė visų išilgai Ox ašies lekiančių molekulių. Stūmoklį veikiančių molekulių jėgų atstojamoji lygi vienos molekulės sukeltos

jėgos F,, ir molekulių skaičiaus AN sandaugai.

Atsižvelgę į tai, 1.12,

1.13 ir 1.10 išraiškas įra-

(kia „Molekulinės kinetinės teorijos požiūriu paaiškinkite dujų slėgį. Kaip pakis dujų slėgis, jeigu molekulių kon-

Per biologijos pamokas nagrinėjote žmogaus ausies sandarą. Paaiškinkite, kodėl žmogus girdi. Pagrįskite, kodėl ausies būgnelis neplyšta dėl veikiančio jį iš išorės oro slėgio.

greitį dvigubai padidinsime?

Išvardykite molekulinės kinetinės dujų teorijos pagrindinės lygties išvedimo etapus. Internete paieškokite informacijos apie vakuumo sukūrimo technologijas technikoje, apie vakuumo susidarymą žmogaus kūne. Pasidomėkite, kur praktikoje taikomas vakuumas.

centraciją perpus sumažinsime, o vidutinį

G)

Per geografijos pamokas sužinojote apie Zemės atmosferos sluoksnius. Internete suraskite informacijos apie juos. Kuriuose šių

sluoksnių oras yra artimiausias idealiosioms dujoms? Atsakymą pagrįskite.

17

Mokomės savarankiškai spręsti uždavinius 1. Oro molekulių koncentracija normaliomis sąlygomis yra 2,7 10* m“?. Apskaičiuokime oro molekulių vidutinę kinetinę energiją.

Sprendimas Taikome

Sprendimas Iš molekulinės kinetinės dujų teorijos pagrindinės lygties išreiškiame oro molekulių vidutinę kinetinę energiją: 21

E:

P,> šali

3pį SPE

E|

=

dujų teorijos

p= Zum".

a)

Tankį galime išreikšti taip: m,N e-=1-T2D-= mp.

(2)

p= žev.

T, = 2735 Es > 36010] 3-10*Pa

pagrindinę lygtį

kinetinės

Gautą tankio išraišką įrašome į 1 lygtį:

Įrašome dydžių vertes ir apskaičiuojame: T

molekulinės

+10721

Iš čia dujų tankis

Atsakymas. 5,6 - 1072! J.

3p

8= K

2*. Apskaičiuokime deguonies tankį, esant 1,3 -10* Pa slėgiui, kai yra žinoma, kad deguonies molekulių vidutinis kvadratinis greitis! yra

Apskaičiuojame jo vertę:

1,4 - 105 m/s.

IBA Tim e- BLB

0,199 kg/m? ik= 0,2 kg/m.3

Atsakymas. 0,2 kg/mš.

Pasitikrinkite pažangą

Inde esančių dujų molekulių koncentracija

(3)

2-10* m“, jų greičio kvadrato vidurkis 10“ m*/s?, vienos molekulės masė 5 10* kg.

Apskaičiuokite dujų slėgį. CO

“

2

Deguonies dujų slėgis 1 MPa, o jų molekulių

vidutinis greitis 700 m/s. Apskaičiuokite de-

guonies molekulių koncentraciją.

(1415-10m *)

('3.) Inde, kurio tūris 5 m, yra 5 kg dujų. Jų molekulių greičio kvadrato vidurkis lygus

4,9: 107 m*/s?. Apskaičiuokite dujų slėgį. 1 pagrindai

(1,6 10 Pa)

Deguonies slėgis 3,01 * 10? Pa, tankis

2kg/m*. Apskaičiuokite vienos deguonies molekulės vidutinę kinetinę energiją.

centracija 5 * 10? m'*. Apskaičiuokite tų dujų atomų vidutinę kinetinę energiją.

(9-107])

Apskaičiuokite deguonies tankį, esant

1,3 *109 Pa slėgiui. Yra žinoma, kad deguo-

nies molekulių vidutinis kvadratinis greitis lygus 1,4-10* m/s.

Esant 1,210? Pa slėgiui, 1 m? dujų yra

210 molekulių. Jų vidutinis kvadratinis

greitis lygus 600 m/s. Apskaičiuokite molekulės masę.

(5-10* kg)

2:m* tūrio inde yra idealiųjų dujų, kurių vi-

dinė energija lygi 450 kJ. Apskaiči okite šių dujų slėgį. (1.5-105 Pa)

(12-10)

—

9 £ “ E g “ £k r E £ 3= £ E z

(33-10 Pa)

Vienatomių dujų slėgis 30 kPa, atomų kon-

MVidutiniu kvadratiniu greičiu vadinama kvadratinė šaknis iš greičio kvadrato vidurkio: 8 = VV".

1.5. Temperatūra ir jos matavimas Termometrų įvairovė Temperatūros matavimas turi svarbią praktinę reikšmę. Matuojama oro, vandens, žmogaus kūno, ugnikalnių lavos, dangaus kūnų ir t. t.

temperatūra. Paprasčiausia tai galima padaryti ranka paliečiant kūną, kurio temperatūrą nori-

ma sužinoti. Tačiau toks temperatūros matavimo būdas yra subjektyvus ir netikslus, o kartais —

neįmanomas. Pavyzdžiui, taip negalima nustaty-

ti dangaus kūnų, lydomo metalo gabalo ir kitų

kūnų temperatūros.

Pirmieji prietaisai temperatūrai

matuoti

buvo

sukurti jau iki Kr. Tikslesnį termometrą, dar

neturintį

Galilėjus

skalės,

(Galileo

1592 m.

Galilei).

sukonstravo

Tai

buvo

Galileo

stiklinis

vamzdelis su jo gale užlydytu stikliniu rutuliuku (1.5.1 pav.). Orui rutuliuke atvėsus, vandens

stulpelis pakildavo vamzdeliu,

15.1 pav.

sušilus — nusi-

leisdavo. Šiuolaikiniais Galilėjaus termometrais

temperatūra matuojama remiantis skysčių tankio

priklausomybe nuo temperatūros (1.5.2 pav., a).

Prie skysčių pripildytų rutuliukų prikabinamos

plokštelės su užrašyta temperatūros verte. Aplin-

kos temperatūra nustatoma pagal viršutinėje dalyje žemiausiai esantį rutuliuką (1.5.2 pav., b).

Temperatūrai matuoti šiuo metu naudojami įvairūs termometrai: skystiniai, dujiniai, bime-

22*C 15.2 pav, a

24*C

15.2 pav, b 19

15.33 pav,a

taliniai, infraraudonųjų

(1.5.3 pav.). Nevienodos

153 pav,b

1.5.3 pav, C

1.5.3 pav, d

spindulių, elektroniniai | susiglaudžia. Krokai reaguoja į 0,5 *C tempera-

konstrukcijos

metrų veikimo principai yra skirtingi.

termo- | tūros pokyčius.

Aplinkoje galima įžvelgti gamtinių termome-

trų. Savotiškas gamtinis termometras gali būti

LLA

LO

gėlė, vadinama kroku (1.5.4 pav.). Kai temperatūra kyla, jos žiedai išsiskleidžia, kai krinta—

1 pagrindai

MIA

1.53 pav, e

1

Temperatūros matavimas. Šiluminė pusiausvyra Temperatūrą galima išmatuoti tik nusistovėjus | kūną, makroskopiniai jų dydžiai (temperatūra, šilti, šiluminei pusiausvyrai. š patirties žinome, kad | slėgis, tūris) kinta. Šaltas kūnas pradeda š kūnai būna šilti ir šalti. Sulietus karštą ir šaltą | karštas — vėsti. Po tam

tikro laiko abiejų kūnų

temperatūra susilygina ir toliau nebekinta. Sakoma, kad kūnai pereina į šiluminės pusiausvyros

būseną. Šiluminės pusi4usvyros būsena vadiname tokią būseną, kai visi makrosko-

piniai dydžiai yra pastovūs. Nusistovėjus Šiluminei pusiausvyrai, kūno tūris, slėgis ir temperatūra nekinta, o jei turime kūnų sistemą, tai

Matuojant temperatūrą skystiniu termometru,

jis suliečiamas su kūnu. Kai termometrinio skysčio temperatūra susilygina su kūno temperatūra,

nusistovi šiluminė pusiausvyra. Tada skystis termometro vamzdelyje nustoja plėstis. Pagal skys-

čio stulpelio

pakilimo

aukštį

nustatoma

kūno

temperatūra.

vienoda yra visų jos dalių temperatūra.

Temperatūros matavimas. Celsijaus termometras Išmatuoti kurį nors fizikinį dydį — tai palyginti ji su to dydžio etalonu. Matuojamos tempera-

tūros negalima palyginti su etalonu, todėl ter-

mometrais matuojami kiti dydžiai, priklausantys nuo

temperatūros:

slėgis ir pan.

skysčio

ar dujų

tūris,

dujų

Termometro skysčio stulpelio galo pokytis viena šimtąja dalimi atitinka vieną Celsijaus laipsnį

(1*C). Temperatūros matavimas tokiu termometru nėra tikslus, nes susijęs su gyvsidabrio ir alkoholio plėtimosi savybėmis. Kita netikslaus tempe-

skystiniais termometrais, arba Celsijaus! termometrais. Jų skalė sudaroma taip. Iš pradžių ter-

ratūros matavimo priežastis — atskaitos pradžios, t. y. nulinės temperatūros, pasirinkimas. Matuojant temperatūrą pagal Celsijaus skalę, atskaitos

ir kaskart brūkšneliu pažymima jo vamzdelyje

jaus skalėje nustatyta susitarimu. Akivaizdu, kad

Buityje

temperatūra

dažniausiai

matuojama

mometras dedamas į tirpstantį ledą (1.5.5 pav., a), paskui — į verdantį vandenį (1.5.5 pav., b)

esančio skysčio stulpelio tarp

brūkšnelių

galo padėtis. Tarpas

padalijamas

į 100

lygių

dalių.

pradžia pasirenkama ledo tirpimo temperatūra. Vadinasi, temperatūros atskaitos pradžia Celsi-

ji gali būti ir kita, pavyzdžiui, vandens virimo temperatūra.

| + 1.55 pav, a

*Teori

1.5.5 pav,b

is temperatūros apskaičiavimas. Temperatūros formulė

Tiksliai temperatūrą galima apskaičiuoti pagal temperatūros formulę. Ji gauta atliekant bandy-

mus su skirtingų rūšių dujomis: deguonimi, he-

liu ir vandeniliu (1.5.6 pav.). Dujų masė ir indų tūris buvo žinomi, o slėgis matuojamas manometrais. Žinant dujų

masę,

buvo nesunku

"Andersas Celsijus (Anders Celsius, 1701-1744) - švedų astronomas ir fizikas, Upsalos universiteto profesorius.

nu-

21

1 1.5.6 pav.

statyti jų molekulių skaičių N. Iš pradžių indai su dujomis buvo įdėti į tirpstantį ledą (0 9C), vėliau — į verdantį vandenį (100 *C). Bandymai parodė,

kad 0 *C temperatūros

kiekvienų dujų

slėgio ir tūrio sandaugos bei molekulių skaičiaus santykis yra vienodas:

PM NTAPM PM TN,

=0. gi

jamas džauliais. Fizikoje temperatūra reiškiama laipsniais. Dydis 0 laikomas proporcingu temperatūrai 1, matuojamai laipsniais:

0 = KT.

Iš 1.17 ir 1.18 lygybės gaunama temperatūros formulė:

pv.

(1.16)

N

Indus su dujomis panardinus į verdantį vandenį, visų dujų santykis

2V.N

ko vienodas, tačiau

didesnis negu pirmuoju atveju. Vadinasi, kylant temperatūrai, dydis O didėja. Dėl to jį galima laikyti temperatūros

matu.

Atsižvelgę į bandymu

gautą priklausomybę ir pasinaudoję molekulinės kinetinės dujų teorijos pagrindine lygtimi, gau-

name:

pV. = 2

NU3

(1.17)

1 pagrindai

rą, kai žinomas dujų slėgis (p), tūris (V) ir dalelių skaičius (N).

Temperatūros formulėje (1.19) esantis propor-

cingumo koeficientas (k) vadinamas Bėlemano

konstanta. trų

fiziką

mann,

Taip jis pavadintas pagerbiant aus-

Liudvigą

Bolcmaną

(Ludwig

1844-1906).

Bolcmano

konstanta

Boliz-

sieja

da. Dydis 0 lygus dviem trečdaliams molekulių

molekulės judėjimo energija, dujų temperatūrai

tinės energijos. Kaip ir energija, dydis 0 matuo-

(

Ją taikant, galima išmatuoti aplinkos temperatū-

Apibrėžkite šiluminės pusiausvyros būseną. Pateikite tokios būsenos kūnų pavyzdžių.

Kaip būtų galima apskaičiuoti, kiek dujų molekulių yra 1.5.6 paveiksle pavaizduotuose induose?

Kaip apskaičiuojama kūno temperatūra?

tariant, ji rodo, kiek vidutiniškai pakinta vienos

padidėjus vienu laipsniu. Bolcmano konstantos vertė k = 1,38 - 10“? ]/K.

Kokia yra Bolcmano konstantos fizikinė prasmė? Ar galima šią konstantą nustatyti teoriškai, neatliekant bandymų? Pasidomėkite termometrų kūrimo istorija, Anderso Celsijaus kūrybine veikla, šiuo metu naudojamų termometrų įvairove, jų veikimo principais. Parenkite pranešimą šia tema.

—

8 £ “ E £ “ gk i E £ 3= a E] z

(1.19)

Taigi visų šiluminės pusiausvyros būsenos dujų

netvarkingo šiluminio judėjimo vidutinės kine-

2

= KT.

temperatūrą O, išreikštą energijos vienetais (]), su temperatūra T, išreikšta laipsniais (K)?. Kitaip

molekulių vidutinė kinetinė energija yra vieno“

(1.18)

*0 - graikų abėcėlės raidė, tariama „teta“.

"Plačiau apie naują temperatūros matavimo vienetą (K) skaitykite 1.6 temoje „Absoliučioji temperatūra — molekulių

vidutinės kinetinės energijos matas“

1.6. Absoliučioji temperatūra — molekulių vidutinės kinetinės energijos matas Absoliučioji temperatūra. Absoliutusis temperatūros nulis XIX a. viduryje anglų fizikas Viljamas Tomso-

nas (William Thomson, 1824-1907) pagal temperatūros formulę (1.19) pasiūlė naują temperatūros matavimo

skalę, vadinamą

titulą, todėl ši skalė dar vadinama Kelvino

ska-

le. Kelvino skalėje temperatūros nulis nustatytas

ne susitarimu!, o pagal 1.19 temperatūros formulę. Temperatūra, kurioje idealiųjų dujų slėgis

artėja prie nulio, kai tūris pastovus, vadinama absoliučiūoju nuliū. Žinome, kad dujų slėgį smūgiai

į indo

sieneles.

Jei

slėgis išnyksta, vadinasi, molekulės nesusiduria

su indo sienelėmis. Taip gali būti tik tada, kai dujų molekulės nustoja judėti. Taigi, esant absoliučiajam temperatūros nuliui, išnyksta molekulių šiluminis

judėjimas.

Absoliučiėji temperatūra gali būti tiktai teigiama arba lygi nuliui (1.6.1 pav.). Absoliu-

Verdantis vanduo-+ 10044 Žmogaus kūno

temperatūra —+ Tirpstantis ledas—

37 0

Sausasis ledas—+ 75

G 100 — 375 0— 100

K

310 25 195

ss 2 20 —0 10

Absoliutusis nulis-e -273

„Ao—0

12

Jei temperatūra padidėja vienu kelvinu pagal absoliučiąją temperatūros skalę, tai ji padidėja vienu Celsijaus laipsniu ir pagal Celsijaus temperatūros skalę.

Celsijaus ir absoliučiosios skalės ryšys Celsijaus

ir absoliučiosios

skalės

ryšį

galima

nustatyti bandymu. 1.6.2 paveiksle pavaizduotas cilindro formos indas pripildomas dujų. Ant indo sienelės pažymimi pagrindiniai termometro skalės taškai: 0 9C ir 100 9C. Atstumą tarp

0 0 3

80

1K-= 1 €C.

3 200

22288

SkystasisJ oras—-191 IM 5 —

1.6.1 pav.

sijaus skalės laipsnį (1 9C):

absoliučiąja,

arba termodinamine, skalė. Tomsonas už nuopelnus mokslui buvo pelnęs lordo Kelvino

sukelia molekulių

čiosios temperatūros skalės vienetas kelvinas (sutrumpintai žymimas 1 K) atitinka vieną Cel-

10 20 0 00

12

1.6.2 pav.

"Primename, kad Celsijaus skalėje nulis nustatytas susitarimu. Tai ledo tirpimo arba vandens užšalimo temperatūra. 23

būti lygus nuliui!. Iš 1.19 formulės išplaukia, kad ši temperatūra yra absoliutusis nulis pagal Kel-

vino skalę. Vadinasi, 0 *C pagal Celsijaus skalę atitinka apytiksliai 273 K pagal Kelvino skalę.

Kadangi temperatūros vienetas pagal absoliučią-

ją skalę (1 K) prilygintas temperatūros vienetui pagal Celsijaus skalę (1 9C), tai bet kuri absoliu-

-273

1.63 pav. jų padalijus į lygias dalis, gaunama

dujinio ter-

mometro skalė. Dujų tūrio priklausomybė nuo

čiosios temperatūros 1' vertė yra 273 laipsniais didesnė už atitinkamą Celsijaus temperatūros !

vertę:

temperatūros pagal Celsijaus skalę, esant pasto-

viam slėgiui, yra tiesinė (1.6.3 pav). Pratęsę dujų tūrio priklausomybės nuo temperatūros grafiką į neigiamų temperatūrų pusę, pastebime, kad, esant —273 *C

temperatūrai,

dujų

tūris turėtų

T= t + 273.

(1.20)

1.6.1 paveiksle palygintos Celsijaus, Kelvino ir

Farenheito temperatūros skalės.

Absoliučioji temperatūra - molekulių vidutinės kinetinės energijos matas Absoliučioji temperatūra susijusi su moleku-

lių vidutine kinetine energija. Šį teiginį nesu-

dėtinga įrodyti remiantis 1.17 ir 1.19 lygtimis.

Kadangi jų kairiosios pusės lygios, tai turi būti lygios ir dešiniosios pusės:

(1.21) Iš čia matyti, kad netvarkingai judančių mo-

lekulių slenkamojo judėjimo vidutinė kinetinė energija yra tiesiogiai proporcinga

“

2

1.21 formulė yra

1 pagrindai

tarsi tiltas tarp makropasaulio ir mikropasaulio. Kūno temperatūra (1) matuojama makroskopi-

su mikropasauliu. gijai.

Iš 1.21 formulės matyti: kuo aukštesnė temperatūra, tuo greičiau juda molekulės. Taigi temperatūra yra molekulių vidutinės kinetinės energijos matas. Ši priklausomybė būdinga ne tik dujoms, bet ir skysčiams bei kietiesiems kūnams, kurių atomai gali tik svyruoti apie pu-

siausvyros padėtį. Kai absoliučioji temperatūra lygi nuliui, molekulių vidutinė kinetinė energija taip pat turi būti lygi nuliui. Vadinasi, absoliutusis nulis yra temperatūra, kurioje išnyksta molekulių šiluminis judėjimas.

Temperatūra pagal Celsijaus skalę lygi

už Celsijaus?

Kokia temperatūra vadinama absoliučiuoju

nuliu?

Temperatūra yra proporcin-

ga molekulių judėjimo vidutinei kinetinei ener-

Kuo pranašesnė Kelvino temperatūros skalė GO

Tačiau ji susijusi ir

309C. Kam ji bus lygi pagal Kelvino skalę? G)

Kaip susijusi molekulių slenkamojo judėjimo vidutinė kinetinė energija su temperatūra?

—

8 £ “ E g “ £k r E £ 3= a Cl z

absoliučiajai temperatūrai.

niu prietaisu — termometru.

"Brūkšninė grafiko dalis

rodo, kad realiai dujų tūris negali būti lygus nuliui. Žemoje temperatūroje dujos virsta

skysčiu, 0 skysčiai — kietaisiais kūnais.

Iš pradžių inde esančių dujų temperatūra klausomybę nuo temperatūros pagal Kelvino buvo lygi 10 €C. Dujas pakaitinus, ji pakilo skalę. iki 40 €C. Kiek padidėjo dujų molekulių vidu- (CB) Pagrindinė materijos savybė yra judėjimas. tinė kinetinė energija? (62-10 )) Pasiekus absoliutųjį nulį, medžiagą sudaranRemdamiesi 1.6.3 paveiksle pateikta dujų čios molekulės ir atomai nustoja judėti. Ar tai tūrio priklausomybe nuo temperatūros pagal neprieštarauja pagrindinei materijos savybei? Celsijaus skalę, pavaizduokite dujų tūrio priAtsakymą pagrįskite.

Mokomės savarankiškai spręsti uždavinius 1. Apskaičiuokime idealiųjų dujų temperatūrą, kai jų vidutinė kinetinė energija lygi 7,87 x

0-7?

1 = 273

K

M = 0,028 kg/mol

x 107! J.

k =

138

105

J/K

Sprendimas Pagal

Sprendimas

Pasinaudojame lygtimi T, = ŽkT, kuri sieja

molekulių judėjimo vidutinę kinėtinę energiją ir temperatūrą. Iš jos išreiškiame temperatūrą:

o

2H E

2-7,87-107] 3-138-105J/K

—

380

K.

Atsakymas. 380 K.

Nagrinėdami Šterno bandymą (žr. 1.3 temą),

lių šiluminio judėjimo greičio kvadrato vidurkį, tereikia įrašyti į ją vienos

molekulės

kinetinės energijos išraišką E. = " mo?

durkį: 0

vidutinės

17 ŽK,

— 3kT „ Tada vidutinis kvadratinis greiTi

tis bus lygus

Kadangi m, = M N,

Remdamiesi

šioje temoje iš-

dėstyta medžiaga, molekulių greičius galime ap-

šių dujų molekulių vidutinį kvadratinį greitį.

tai

3KN,TA M 28 kg7mol

davinio pavyzdžiu.

rių molio masė 0,028 kg/mol. Apskaičiuokime

BkT žm

Įrašę dydžių vertes, apskaičiuojame:

skaičiuoti algebriniu būdu. Iliustruosime tai už2. Inde yra 0 *C temperatūros azoto dujų, ku-

= =

= Us

sužinojote, kad molekulių greičius galima nustatyti bandymais.

moleku-

Iš čia išreiškiame molekulių greičio kvadrato vi-

Įrašę dydžių vertes, gauname: T=

1.21 lygtį galima apskaičiuoti

Atsakymas. 493 m/s; algebriniu ir eksperimentiniu būdu apskaičiuotos dujų molekulių greičio

vertės sutampa.

Pasitikrinkite pažangą

1.

Apskaičiuokite argono molekulių vidutinį kvadratinį greitį. Argono molio masė 0,04 kg/mol, temperatūra 09C.

(412,5 m/s)

2.

Apskaičiuokite idealiųjų dujų molekulių slenkamojo judėjimo vidutinę kinetinę energiją,

esant 20 9C temperatūrai.

(6,06

10! Į) 25

G)

Deguonies molekulių vidutinis kvadratinis

d) Apskaičiuokite vienos deguonies molekulės masę. (53-10 kg)

greitis, esant 320 K temperatūrai, lygus

500 m/s. a) Įvertinkite deguonies molekulių greičio kokybinius pokyčius kintant temperatūrai. b) Nurodytą temperatūrą išreikškite Celsijaus laipsniais. 907

Kapiliariniai reiškiniai

Kapiliariniai reiškiniai - tai skysčio pakilimas arba nuslūgi-

Skysčio pakilimo aukštis

Skysčio pakilimo aukštis (h) kapiliare yra tiesiogiai proporcingas skysčio paviršiaus įtempties koeficientui (0) ir

mas kapiliaruose (mažo vidinio skersmens vamzdeliuose).

atvirkščiai proporcingas skysčio tankiui (p) bei kapiliaro spinduliui (r): h= —-20 žar:

65

ŠILUMINIAI REIŠKININIAI NSVAAViaI ĖS Ino 1

Kristaliniai ir amorfiniai kūnai Šiame skyriuje detaliau gvildensite kietųjų kūnų Ego [e aaa AI TESA=TniTe T aa S kūnais, sužinosite, kas yra anizotropija ir izotropija,

aptarsite kietųjų kūnų deformacijų rūšis:

tampriąsias ir plastinės, taip pat tempimo, šlijimo, sąsūkos ir lenkimo. Nagrinėdami kietųjų kūnų aaa EEA VES fizikiniais dydžiais: mechaniniu įtempiu, tampros moduliu, proporcingumo, tamprumo ir stiprumo

ribomis.

3.1. Kristaliniai ir amorfiniai kūnai Kristaliniai kūnai Kietojo kūno

tyrimai yra svarbi fizikos sritis.

praktinėje veikloje. Pavyzdžiui, deimantas - tvirčiausia medžiaga gamtoje. Kvarcas ir germanis, pasižymintys elektrinėmis savybėmis, naudojami elektrotechnikoje ir elektronikoje. Iš kristalų

Daugelis fizikų tiek pasaulyje, tiek Lietuvojė ti-

ria kietųjų medžiagų sandarą. Juos domina me-

chaninės, elektrinės, magnetinės ir optinės kie-

gaminamos mikroschemos, atminties elementai,

tųjų kūnų savybės. Kietieji kūnai gali būti kristaliniai arba amorfiniai (3.1.1 pav.). Kristaliniais kūnais,

tranzistoriai. Kristalai naudojami grąžtų, termo-

metrų,

arba kristalais (gr. krystallos - ledas,

krištolas), vadinami

kietieji kūnai, kurių

laikrodžių,

lazerių!

gamyboje.

Safyras,

rubinas, ametistas ir kiti kristalai puošia daugelį

molekulės (atomai arba jonai) erdvėje iš-

juvelyrinių dirbinių. Sukurtos atskirų kristalų

sidėstę tvarkingai. Kristalinių kūnų gamtoje yra daug: valgomoji

masyvų

(grafėno)

gamybos

technologijos.

pakeičia silicį didelės galios kompiuteriuose

Jie

ir

elektronikoje, nes yra kompaktiškesni ir naudoja

druska, vario sulfatas, alūnas, kvarcas, deimantas

ir pan. Kristalų fizinės savybės svarbios žmogaus

mažiau energijos. KIETIEJI KŪNAI

„AMORFINIAI KŪNAI! (Būdinga izotropija)

KRISTALINIAI KŪNAI

POLIKRISTALAI

(Būdinga izotropija)

Kristalų sandara. Kristalinė gardelė Taisyklingą

geometrinę

kristalų formą

lemia

tvarkingas dalelių (atomų, molekulių, jonų) išsidėstymas. Dalelės išsidėsto lygiais tarpais, tam tikromis

eilėmis, sudarydamos

Sakoma,

kad kristaliniams kūnams

gūras erdvėje ar plokštumose

geometrinės

fi-

(žr. 2.1.1 pav.).

būdinga to-

limėji tvarka. Kristalus sudarančios dalelės negali laisvai judėti. Jos tik svyruoja apie pusiausvyros padėtį.

Kodėl dalelės kristaluose išsidėsto tvarkingai? Atsakyti į šį klausimą padeda nesudėtingo

bandymo rezultatai. Ant šiek tiek įgaubto stiklo (pavyzdžiui, seno žadintuvo) paberiama smul-

kių metalinių rutuliukų. Stiklą lengvai sukrėtus, rutuliukai tvarkingai išsidėsto žemiausioje galimoje padėtyje (3.1.2 pav.), t. y. taip, kad jų potencinė

energija

būtų

mažiausia.

Tuo

pačiu

principu išsidėsto ir dalelės kristale. Jos užima padėtį, atitinkančią žemiausią dalelių potencinės (sąveikos) energijos lygmenį.

Sujungus kietojo kūno molekulių (atomų arba

jonų)

pusiausvyros

centrus,

gaunama

taisyk-

"1960 m. JAV fizikas Teodoras Meimanas (Theodore Maiman) sukonstravo pirmąjį pasaulyje lazerį, kuriam panaudojo dirbtinai

išaugintą rubino kristalą.

67

formų.

Kubinę

natris,

chromas,

heksagoninę formos)

gardelę

rombinę

—

(šešiakampės

— cinkas,

Mokslininkai

turi valgomoji

magnis

nustatė,

kad

druska,

kvarcas,

topazas,

stačiosios

prizmės

ir daugelis

lydinių.

gali būti net 230

įvairių kristalo erdvinės gardelės formų. Joninės erdvinės gardelės mazguose dažnai būna teigiamieji arba neigiamieji jonai, kitais atvejais — atomai. 3.1.2 pav.

linga erdvinė gardelė. Ji vadinama kristalinė

gardelė (2.1.1 pav.). Gardelė gali būti įvairių

Kristalo

savybes

lemia ne tik dalelių,

esančių kristalinės gardelės mazguose, rūšis, bet ir gardelės forma. Grafitas ir deimantas sudaryti iš tų pačių anglies atomų, tačiau skirtinga gardelės forma (žr. 2.1.1 pav.) lemia skirtingas šių medžiagų savybes.

Monokristalai ir polikristalai Kietasis kūnas, sudarytas iš vieno kristalo, va-

dinamas

monokristalū

(gr. monos — vienas,

vienintelis, vientisas). Monokristalų fizinės sa-

vybės priklauso nuo pasirinktos krypties kris-

3.14 pav, a

tale. Daugelis kristalų šviesą, šilumą ir elektros srovę įvairiomis kryptimis praleidžia skirtingai (3.1.3 pav., a, b). Nuo krypties priklauso ir šiluminis monokristalų plėtimasis. Iš monokristalo pagamintas rutuliukas šildomas labiau plečiasi horizontalia kryptimi negu vertikalia (3.1.4 pav., a, b). Kristalų fizinių savybių priklausomy-

bė nuo krypties kristalo viduje vadinama

anizotrėpija (gr. anisos — nelygus, Iropos —

£I]

iir amorfiniai kūnai

kryptis, savybė). Monokristalams ji būdinga dėl to, kad tvarkingai išsidėsčiusių atomų, moleku-

5 Ž =5 zi Eš 1 i =

-————

3.14 pav,b

lių arba jonų sąveikos jėgos ir atstumai tarp ato-

mų skirtingomis kryptimis yra nevienodi. Kietasis

3.13 pav, a

5

ESI

sudarytas

iš daugybės

suau-

gusių vienas su kitu kristalėlių, vadinamas polikristalū (gr. polys — didelis, gausus). Pavyzdžiui, grūdinto plieno ar ketaus lūžio vietoje net plika akimi

£ “2

kūnas,

galima įžiūrėti smulkių

kristalėlių.

(O

Smūgiuojamas valgomosios druskos gabalas subyra į taisyklingos formos kristalėlius, kurių paviršių riboja statmenos plokštumos. Iš polikrista-

313 pav, b

lų pagamintų daiktų nesunku rasti artimiausioje

mūsų aplinkoje. Tai —- metaliniai šaukštai, šaku-

tės, peiliai ir kt. Rafinuotas cukrus taip pat yra polikristalas. poli-

kryptimis yra vienodos. Kietojo kūno fizinių savybių nepriklausymas nuo pasirinktos krypties jo viduje vadinamas izotropija. Taigi polikris-

Kietieji kūnai, neturintys kristalinės sandaros,

ruoja apie pusiausvyros padėtį, paskui peršoka į

Dėl

netvarkingo

kristalėlių išsidėstymo

kristalų, taigi ir metalų, fizinės savybės visomis

talinės medžiagos yra izotropiškos.

Amorfiniai kūnai vadinami amėrfiniais kūnais (gr. amorphos— beformis).

Tai — gintaro,

stiklo, vaško gaminiai

ir kt. Tam

tikromis sąlygomis amorfiniai kūnai

būna tamprūs kaip kristalai. Pavyzdžiui, esant

Žemai temperatūrai, dervos gabalas yra kietas ir,

stipriai smogtas plaktuku, subyra. Temperatūrai kylant, amorfiniai kūnai pamažu minkštėja. Konkrečios lydymosi temperatūros jie neturi. Lengvai

suminkštėja vaškas, derva.

Iš įkaitinto

stiklo galima formuoti įvairios formos gaminius (3.1.5 pav., a). Dėl to jis naudojamas indų, švies-

tuvų, meno dirbinių gamybai (3.1.5 pav., 6).

Amorfinių kūnų atomai arba molekulės, pana-

šiai kaip skysčio molekulės, tam tikrą laiką svy-

naują. Tačiau tokie jų šuoliai yra gerokai retesni negu skysčių molekulių. Todėl žemoje temperatūroje amorfiniai kūnai yra artimesni kristalams.

Temperatūrai kylant, molekulių šuoliai iš vienos

sėslios padėties į kitą dažnėja - amorfiniai kūnai minkštėja, pasidaro takūs, taigi ir artimesni skysčiams. Pavyzdžiui, stiklas yra takus net kambario temperatūroje. Todėl senų pastatų langų stiklai apačioje būna storesni. Amorfinių

kūnų

tik artimiausios

dalelės (ato-

mai, molekulės) išsidėsto tvarkingai, todėl sako-

ma, kad amorfiniams kūnams būdinga artimėji tvarka. Šie kūnai yra izotropiški

- fizinės savybės

nokristalą,

oksido

nepriklauso nuo pasirinktos krypties jų viduje.

Kristalų auginimas Didelė kristalų paklausa privertė ieškoti alternatyvių jų šaltinių. Sukurtos modernios kristalų

auginimo technologijos. Kristalai auginami

specialiuose automatizuo-

tuose termostatuose. Pagrindinė problema, kuri kyla auginant kristalus, - aukšta žaliavos temperatūra. Pavyzdžiui, norint išauginti rubino mo-

reikia

aliuminio

miltelius

įkaitinti iki 2030 *C. Rubino auginimo įrengi-

nyje kaitinami aliuminio oksido milteliai byra

plona srovele (3.1.6 pav.). Išsilydę jie mažais lašeliais krinta ant strypo, kurio paviršiuje formuojasi rubino kristalas. Taip pavyksta išauginti iki 500 mm ilgio monokristalinius strypelius.

69

Aliuminio milteliai (Al;05)

Rubino kristalas

3.1.6 pav.

Kristalus galima auginti

3.1.7 pav.

lėtai garinant

skystį | Susidaro

iš sočiojo tirpalo arba lėtai mažinant tirpiklio temperatūrą. Iš tirpalo gaunamo kristalo forma priklauso nuo skysčio priemaišų, skysčio srovių. Tirpalo šaldymas labai pakeičia kristalų formą.

| | | |

ilgų, adatos

pavidalo

keistai

susijun-

gusių kristalų. Pavyzdys — ledo ornamentai ant lango (3.1.7 pav.). Dideli, be priemaišų kristalai išauginami kosmose, nesvarumo ir didelio vakuumo sąlygomis.

Apibūdinkite molekulių sąveikos jėgas ir

Pasirenkite diskusijai apie stiklapūtystę (is-

Čiuose ir dujose. Kuo panaši ir kuo skiriasi kristalinių ir amorfinių kūnų sandara?

praktiniai taikymo aspektai). Prisiminkite per chemijos pamokas nagrinėtus kristalų auginimo būdus. Internete paieškokite

judėjimo pobūdį kietuosiuose kūnuose, skys-

Paaiškinkite izotropijos reiškinį. Kam jis būdingas?

Ar visi kristaliniai kūnai yra anizotropiniai? Atsakymą pagrįskite.

„Mediena yra anizotropinė. Ar ją galima lai-

kyti kristaline medžiaga?

torija, dabartinės technologijos, meniniai ir

informacijos apie naujausias kristalų auginimo namų sąlygomis technologijas. Klasėje padiskutuokite apie fizikinius ir cheminius jų aspektus. Pabandykite patys išauginti kristalų. Paieškokite internete informacijos apie anizotropiją gyvojoje gamtoje.

Skystųjų kristalų sandara Dabar jau nieko nestebina televizoriaus, kom-

piuterio monitoriaus (3.2.1 pav.) ar mobiliojo

lų. Šios medžiagos taip pat naudojamos laikrodžiuose, švieslentėse, termometruose,

skaičiuo-

telefono ekranas, pagamintas iš skystųjų krista- | tuvuose ir kituose elektronikos prietaisuose.

Sandaros požiūriu skystieji kristalai yra panašūs tiek į skysčius, tiek į kietuosius kūnus.

Skystieji kristalai — tai medžiagos, sudarytos

me jų — vis kitaip (3.2.2 pav.): viena kryptimi — tvarkingai (tolimoji tvarka), o kitomis kryptimis — ne (artimoji tvarka). Jų masių centrai juda

krame temperatūros intervale būdingas takumas

čios su savimi ir su kitų molekulių ašimis.

iš pailgų, nelanksčių molekulių, kurioms tam ti(kaip skysčiams) ir tvarkingas išsidėstymas (kaip kristalams). Skystųjų kristalų molekulės išsidėsto

lygiagrečiais

sluoksniais,

tačiau

kiekviena-

netvarkingai, tačiau ašys išlieka lygiagrečios pa-

Žinome, kad kiekviena medžiaga gali būti kietos, skystos arba dujinės būsenos. Skystieji kristalai — savita organinės medžiagos būsena, pri-

klausanti nuo aplinkos temperatūros. Tačiau ne kiekviena organinė medžiaga gali būti šios būsenos. Nustatyta, kad tik viena iš 200 organinių medžiagų gali būti skystasis kristalas.

Skystųjų kristalų atradimo istorija Skystųjų kristalų atradimo istorija patvirtina, kad gamtos mokslai (fizika ir biologija) susiję

tarpusavyje. Botaniko Roberto Brauno darbų reikšmę molekulinės kinetinės dujų teorijos raidai jau minėjome. Skystuosius kristalus 1888 m.

nėje, 1963 m. pastebėjo, kad, paveikus skystąjį

kristalą elektriniu lauku, šviesos sklidimas per

atrado taip pat botanikas. Tai buvo mokslinin-

jį pakinta. Taigi elektriniu lauku galima keisti ir valdyti molekulių išsidėstymą kristale. Po penkerių metų kitas RCA tyrinėtojas Georgas Hylmejeris (Georg Heilmeyer) su savo kolegomis

Skystieji kristalai ilgai nebuvo tyrinėjami. Jais

totipą. Skystųjų kristalų molekulės reaguoja ne

kas Frydrichas Rainiceris (Friedrich Rheinitzer).

susidomėta tik 1960 m. Amerikiečių mokslinin-

kas Richardas Viljamsas (Richard Williams), dirbantis RCA (Radio Corporation of America) įmo-

pagamino pirmąjį skystųjų kristalų ekrano pro-

tik į elektrinio lauko poveikį, bet ir į nedidelius

slėgio bei temperatūros pokyčius. Dėl to keičiasi šių kristalų skaidrumas ir spalva.

Skystųjų kristalų ekranai Skystųjų kristalų ekranai turi privalumų ir trūkumų. Svarbiausias jų privalumas, palyginti su standartiniais ekranais, yra maži matmenys. Dėl to šie ekranai įrengiami

kompiuteriniuose

gro-

tuvuose (3.2.3 pav.), skaitmeniniuose fotoapara-

tuose (3.2.4 pav.) ir kituose prietaisuose. Skystųjų kristalų ekranai yra vos kelių centimetrų storio ir dėl to lengvi. Jie vartoja gerokai mažiau energijos nei monitoriai su katodinių spindulių kineskopu.

71

3.23 pav. Tačiau skystųjų kristalų ekranai turi ir trūkumų. Pirma, jie yra brangesni, antra, vaizdo koky-

bė skystųjų kristalų ekrane priklauso nuo regė-

jimo kampo. Optimalus regėjimo kampas šiuose

ekranuose yra status (vartotojas sėdi tiesiai prieš ekraną). Pasukus ekraną, vaizdas jame įžiūrimas sunkiau.

Vaizdo kokybė skystųjų kristalų ekrane labiau-

siai priklauso nuo ekrano tipo ir dydžio. Skystųjų kristalų ekranai, kitaip nei standartiniai, patys šviesos neskleidžia. Jie tik atspindi saulės ar kambario šviesą. Vis dėlto paviršiaus apšvieta ne visada yra pakankama, todėl šiuo metu kuria-

3.24 pav.

priklausantį nuo ląstelės elektrodams įtampos.

Spalvotiems vaizdams kurti atskirose skystųjų kristalų ekranų ląstelėse naudojami spalvų filtrai.

Jie dažniausiai daromi vertikalių raudonų, žalių

ir mėlynų juostelių pavidalo, tačiau gali būti ir kitokie. Kad ekrane susidarytų baltas taškas, trys gretimos skystųjų kristalų ekranų ląstelės turi

praleisti šviesą. Spalvų pustoniai kuriami įvairiais būdais: silpninant ląstelei tiekiamą srovę ir taip mažinant praleidžiamos šviesos kiekį; trumpam įjungiant ir išjungiant ląstelę ir kt.

Įtampos nėra

iš šonų (šviesos šaltiniai tvirtinami prie ekrano

kraštų) arba iš apačios, po ekranu įtaisytu šviesos

ai]

ir kristalo savybių. Priešingose ląstelės pusėse išdėstyti skaidrūs elektrodai, prie kurių jungiamas

3.2.5 pav.

molekulės

ii I

"/

Skaidrūs elektrodai Stiklas Poliarizatorius

Au

5 = =5 zu E: 1 ž =

Skystųjų

kristalų

—

darinys, pripildytas medžiagos, turinčios skysčio

liuojamas keičiant molekulių orientacijos kampą,

(tamsu)

—

šaltiniu. Ekranai gali būti įvairių tipų ir formų. Skystųjų kristalų ekrano ląstelė (3.2.5 pav.) yra

£I]

Įtampa yra

(šviesu)

mi skystųjų kristalų ekranai, kurie apšviečiami

įtampos šaltinis. Ekrano ląstelės skaidrumas regu-

tiekiamos

ESI

5 £

(O

“2

Kuo skystieji kristalai panašūs į skysčius,

Kokia yra skystųjų kristalų ekrano sandara?

kuo- į kietuosius kūnus?

Kokios vidinės sandaros medžiagos gali būti skystieji kristalai?

Kaip jis veikia? G)

Padiskutuokite apie skystųjų kristalų ekranų

privalumus, trūkumus, jų kūrimo technolo-

gijas.

3.3*. Cheminiai ryšiai kristaluose. Kristalų defektai Cheminiai ryšiai kristaluose Per

chemijos

pamokas

nagrinėjote

Laisvųjų elektronų „jūra“

įvairius

cheminius ryšius: joninį, kovalentinį, metališkąjį ir molekulinį. Visų jų pagrindas — elektrinė

medžiagos dalelių sąveika. Šie ryšiai būdingi ir kristalų dalelėms (jonams, molekulėms). Valgomoji druska (Na'Cl-) yra kristalinė medžiaga, kurios jonai tarpusavyje susiję joniniu

333333

ryšiū. Kiekvienas neigiamasis chloro jonas traukia šešis teigiamuosius natrio jonus, kiekvienas teigiamasis natrio jonas — šešis neigiamuosius

chloro jonus (3.3.1 pav.).

„Metalo jonai

3.3.3 pav.

a-c

elektroninio

apvalkalo

gali

dviejų atomų (3.3.2 pav.).

laisvai

judėti

tarp

Kristalų atomai gali būti susiję metališkuoju ryšiū. Pavyzdžiui, geležies, vario ir kitų metalų jonus sieja laisvieji elektronai. Tai dalis metalų

atomų valentinių elektronų, kurie yra bendri visam kristalui. Laisvieji elektronai sudaro ta-

rytum neigiamo krūvio „jūrą“ (3.3.3 pav.), kuri juda tarp tvarkingai išsidėsčiusių teigiamųjų metalo jonų. Laisvųjų elektronų ir jonų tarpusavio traukos jėga sudaro metališkąjį ryšį.

Kai kurių kristalų (pavyzdžiui, cukraus, parafi-

no) gardelės mazguose yra neutralios molekulės, turinčios teigiamojo ir neigiamojo krūvio cen-

trus. Ryšys tarp kristalinės gardelės mazguose

esančių molekulių, t. y. molekulinis ryšys, at-

siranda dėl įvairiaženklio krūvio centrų sąveikos. 3.3.2 pav.

Kristalų defektai

Neutralius kristalo atomus sieja kovaleūtinis

Išauginti kristalą, turintį taisyklingą gardelę, sunku. Kristalinės gardelės pakitimus vadiname

ryšys. Jis atsiranda susidarant bendroms

abiejų

atomų elektronų poroms. Pavyzdžiui, kiekvienas deimanto

atomas

susijęs su keturiais

artimiau-

siais atomais kovalentiniu ryšiu. Jo esmė — po vieną elektroną iš kiekvieno deimanto atomo

defektais.

Mikroskopiniai

taškiniai kristalinės

gardelės defektai būna trijų rūšių: * kristalinės gardelės mazge yra kitos rūšies ato-

mas (3.3.4 pav., a);

73

r

ru

lo R

m

R

ma

HR

12)

ET na

3.34 pav, a

334 pav,b

TTH R a 225 pav.

—Ė

—Ė

3.34 pav,

MN Wi „NM

—Ė

HH T

TE EOT Praslydimas

+ atomas yra tarp kristalinės gardelės mazgų ten, kur jo neturėtų būti (3.3.4 pav., b); + gardelės mazge nėra atomo (3.3.4 pav., c).

Taškiniai defektai pažeidžia tik artimąją kristalo tvarką. Tolimąją tvarką suardantis defektas vadinamas dislokacija. Tai kristalinės gardelės vieta, kurioje nutrūksta viena atomų

(ar jonų) plokštuma. Dislokacijos vietoje ryšiai yra silpnesni. Kristalus, turinčius dislokacijų, lengviau deformuoti. Jei dislokacijos nebūtų, tektų vienu metu nutraukti ryšius tarp visų kristalo atomų dviejose gretimose plokštumose. Esant dislokacijai, veikianti jėga pastumia vieną atomų

plokštumą per vieną gardelės tarpsnį

3.36 pav.

(3.3.5 pav.). Šis procesas panašus į kilimo klostės pastūmimą: klostę pastumti lengviau nei visą ki- | nimas — legirūvimas (vok. legieren < lot. ligare — limą. Tačiau, patraukiant klostę, pastumiamas ir | rišti, jungti). Pavyzdžiui, į plieno lydinį įterpia-

E

visas kilimas (3.3.6 pav.). ma chromo, volframo. Įterpiamas elementas arba Į dislokacijos vietą įterpus kitų elementų ato- | elementų kompleksas pasirenkamas atsižvelgiant

E =

kartu padidinti kristalinės medžiagos atsparumą. | rumas aukštai temperatūrai, susidėvėjimui, koŠiuo principu pagrįstas metalų lydinių praturti- | rozijai.

kūnų sandara.

zZ

mų,

galima

pristabdyti

dislokacijos

plitimą

ir | į tai, kokios gaminio savybės yra svarbios: atspa-

E

s

Apibūdinkite joninį, kovalentinį, metališkąjį

Prisiminkite, ką per chemijos pamokas mo-

Padiskutuokite apie kristalų defektus, jų taikymą praktikoje.

"Žr. interneto puslapį

ir molekulinį kristalo dalelių ryšį. Sumodeliuokite šiuos ryšius, naudodamiesi interaktyviais chemijos mokymosi objektais!.

k)

kėtės apie metalų apsaugos nuo korozijos būdus: legiravimą, korozinės aplinkos aktyvumo mažinimą. Padiskutuokite apie tai.

http://mkp.emokykla.lt/imo/lt/mo/312/

3.4. Kietųjų kūnų deformacijos rūšys Tamprioji Mūsų

ir plastinė deformacija

aplinkoje

esančius

kietuosius

kūnus

išnyksta nustojus veikti išorinėms jėgoms, vadi-

pamatus — sienų svoris, tiltą — juo važiuojančių automobilių svoris, obels šakelę — obuolio svoris, jūros tilto turėklus — vėjo jėga. Kai išori-

trintukas, kai jį atleidžiame, grįžta į pradinę padėtį. Tampriąją deformaciją patiria susiduriantys

veikia įvairios išorinės jėgos, pavyzdžiui, namo

nių jėgų poveikis nedidelis, kietieji kūnai išlaiko formą. Tačiau, veikiant stipresnėms jėgoms,

nama tampri4ja. Pavyzdžiui, suspaustas pirštais

biliardo rutuliai, negūsingame vėjyje siūbuojan=

kūnų forma pasikeičia, t. y. kūnai deformuojasi. Kūno formos arba tūrio pasikeitimą vadiname

tys javai bei Nustojus jami kūnai pavyzdžiui,

grįžta į pradinę būseną, deformacija skirstoma į

išorinėms jėgoms, vadinama plastine. Ją patiria

deformacija!. Pagal tai, ar deformuojami kūnai

tampriąją ir plastinę. Deformacija, kuri visiškai

medžiai ir t. t. veikti išorinėms jėgoms, deformuokartais neatgauna pradinės formos, pirštais suspaustas plastilino gabalė-

lis. Deformacija, kuri neišnyksta nustojus veikti sviestas, vaškas, kramtomoji guma ir kt.

Tempimo ir gniuždymo deformacija

Pagal jėgos veikimo pobūdį deformacija skirs-

toma į tempimo (gniuždymo), mo, lenkimo ir sąsūkos. Tempimo deformacija atsiranda

tada, kai jėgos veikia kūną viena tiese priešingomis kryptimis į išorę (3.4.1 pav., a). Aptardami tempimo deformaciją, remsimės pavyzdžiu. Sa-

kykime, vienas strypo galas yra įtvirtintas, o kitas

tempiamas jėga I“, nukreipta nuo strypo išilgai jo ašies (3.4.1 pav., b). Tempimo deformaciją api-

būdina fizikinis dydis, vadinamas absoliučiūoju

pailgėjimu:. Jis lygus deformuojamo strypo galinio ilgio I ir pradinio ilgio I, skirtumui:

Al = I- I,

Kadangi kūno santykinis pailgėjimas išreiškiamas dviejų ilgių santykiu, jis matavimo vieneto neturi.

Tempimo deformaciją patiria liftų lynai, keliamųjų įrenginių grandinės, sąvarža tarp krovini-

nio automobilių kėbulo ir priekabos, sausgyslės, raumenys ir t. t.

dED

6.1) 0

mas metrais. Šią deformaciją galima apibūdinti ir kitu fizi-

kiniu dydžiu - santykiniū pailgėjimu. Jis lygus kūno absoliučiojo pailgėjimo Al ir pradinio

ilgio I, santykiui:

0

-

3.4.1 pav,a

Absoliutusis pailgėjimas SI sistemoje matuoja-

+ - Al

žmogaus

(3.2)

AI

1

į

3.41 pav,b

"Deformacijos sąvoka jums nėra nauja. Ji jau buvo minėta nagrinėjant tamprumo jėgą. "Nagrinėdami tamprumo jėgą, absoliutųjį pailgėjimą žymėjome Ax (I — —kAx). 75

Gniūždymo deformacija pasireiškia tada, kai jėgos veikia kūną viena tiese priešpriešiais į vidų (3.4.2 pav.). Tokio kūno santykinis pailgė-

jimas yra neigiamas: e < 0. Gniuždymo

defor-

maciją patiria pastatų pamatai, sienos, stulpai, medžių kamienai, kaulai ir t. t.

Tempiamo arba gniuždomo kūno kinta ne tik

ilgis, bet ir skerspjūvio plotas: tempiamo— mažėja, gniuždomo — didėja. Tuo galite įsitikin-

ti patys. Iš pradžių spauskite, tada tempkite iš minkštos, akytos medžiagos pagamintą kempinę. Stebėkite, kaip kinta jos skersmuo.

Šlijimo deformacija Deformacija, kurios metu kūno sluoksniai pasislenka lygiagrečiai vieni kitų atžvilgiu, vadina-

ma šlijimo deformacija. Ją kūnai patiria tada, kai išorinės jėgos juos veikia išilgai lygiagrečių plokštumų priešingomis kryptimis (3.4.3 pav.). E

kalios sienos pakrypsta kampu y, kuris vadinamas šlytiės kampū. Būtent šis kampas apibūdina šlijimo deformaciją. Jėgai FF padidėjus, padidėja ir šlyties kampas y. Bandymai

rodo,

Deformuojamo kūno lygiagrečios dalys slysta viena kitos atžvilgiu. Tuo nesunku įsitikinti atliekant nesudėtingą bandymą (3.4.4 pav.). Ant guminio tašelio nubraižomos vertikalios ir hori-

tampriai

deformuojamo

kūno šlyties kampas y yra tiesiogiai proporcingas

veikiančios jėgos IV moduliui. Fizikos kabinet

3.4.3 pav.

kad

imo deformaciją galima pa-

demonstruoti kietojo kūno modeliu (3.4.5 pav.). Ji sudaro daugybė lygiagrečiai viena su kita spyruoklėmis sujungtų plokštelių. Kūno briaunas veikiant horizontalia jėga, plokštelės pasislenka

viena kitos atžvilgiu. Šis bandymas atskleidžia dar vieną šlijimo deformacijos ypatybę — deformuojamo kūno tūris nepakinta.

zontalios tiesės ir viena tašelio siena pritvirtina-

Šlijimo deformaciją patiria uolienos, ledynai kalnų šlaituose, detales jungiantys varžtai, knie-

soma medinė

dės, judantys kūnai, kuriuos veikia didelė trintis. Kai šlyties kampas labai padidėja, deformuoja-

ma prie stalo (3.4.4 pav., a). Tašelio viršuje pritaijuostelė. Tempiant ją horizontalia

jėga FF, tašelio 1, 2, 3ir t. t. sluoksniai pasislenka

vieni kitų atžvilgiu, likdami lygiagretūs, o verti-

mas kūnas gali suirti — lūžti. Šis reiškinys stebimas dirbant žirklėmis, kaltu, kirstuku, pjūklu.

34,5 pav.

Lenkimas ir sąsūka Sudėtingesnės yra lenkimo ir sįsūkos macijos. Lenkimo deformaciją patiria dieną medžiai, stulpai, žmonės. Ji veikia konstrukcijas: perdangas, storu sniego niu apklotus pastatų stogus (3.4.6 pav.,

deforvėjuotą statinių sluoksa), til-

tus (3.4.6 pav., b). Lenkimo deformaciją sudaro vienų kūno dalių tempimas, o kitų gniuždymas. Antai 3.4.6 paveiksle, b, pavaizduotos lentos vir-

šutinė dalis yra gniuždoma, apatinė - tempiama. Sąsūkos deformacija atsiranda įsukant varžtus, sukant mašinų velenus, grąžtus ir t. t. Ji reiškiasi

kaip nevienalytis tempimas arba gniuždymas ir nevienalytė šlytis. Sukamo

kūno atskiri sluoks-

niai lieka lygiagretūs, tačiau pasisuka vienas kito atžvilgiu tam tikru kampu y (3.4.7 pav.).

3.46 pav,b

J

Kietųjų kūnų deformacijos matuojamos prietaisais, kurie vadinami tenzomėtrais.

3.47 pav.

Pateikite tampriosios ir plastinės deformaci-

vių santykinį pailgėjimą. Padiskutuokite apie

Kokie fizikiniai dydžiai apibūdina šias kūnų deformacijas:

(0,01) įvairių kūnų de-

jos pavyzdžių, nepaminėtų tekste.

saugų supimąsi vaikiškomis sūpuoklėmis. Buityje galima pastebėti

a) tempimo; | b) gniuždymo; | c) šlijimo;

formacijų. Panagrinėkite tas, kurias stebite

virvių ilgis 3 m. Atsisėdus ant jų Onutei, vir-

mo, gniuždymo, lenkimo, sąsūkos, šlijimo).

d) lenkimo; e) sąsūkos? Onutės kieme esančių vaikiškų sūpuoklių

vės pailgėja 30 mm. Kokio dydžio yra virvių absoliutusis pailgėjimas? Apskaičiuokite vir-

pusryčiaudami. Nurodykite deformacijų, kurias sukeliate pusryčiaudami, rūšį (tempiKurios iš jų yra plastinės, o kurios — tampriosios?

77

3.4.8 paveiksle pavaizduotas verpimas se-

noviniu rateliu (a) ir šiuolaikinės verpimo staklės (b). Nurodykite, kokias deformacijas

patiria pavaizduoti kūnai. Paieškokite informacijos apie kristalų naudojimą šiuolaikinių verpimo staklių gamyboje.

Mechaninis įtempis Statant tiltus, namus

žinoti pagrindinių statybinių medžiagų (betono, plytų, blokelių) savybes, jų atsparumą mechani-

nėms

deformacijoms.

sutrūkinėti į atskiras dalis. Tokią deformuojamo

ir kitus statinius, svarbu

Šiuo požiūriu medžiagų

savybės rūpi ne tik statybos inžinieriams, bet ir

įvairių įrenginių bei prietaisų konstruktoriams.

kūno būseną apibūdina mechaninis įtempis— fizikinis dydis, lygus tamprumo jėgos mo-

dulio F. ir kūno tykiui:

skerspjūvio ploto S san-

(3.3)

Kas vyksta kūną deformuojant? Mechaniškai

veikiamo kūno atomai pasislenka iš pusiausvy-

ros padėčių. Dėl to pakinta kūno forma ir tūris. Kiekviename deformuojamo

siranda tamprumo

kūno pjūvyje at-

jėgos, neleidžiančios kūnui

Duomenys apie įvairių medžiagų mechanines

savybes gaunami bandymais. Pavyzdžiui, tiriant tempimo deformaciją, viela tempiama speciajos pailgėjimas

sistemoje

mechaninio

įtempio

matavimo

vienetas yra paskalis!: [6] = 1 Pa = 1 N/m?.

Huko dėsnis

liais įtaisais ir matuojamas

SI

bei

"Primename, kad paskalis yra ir kūno slėgio matavimo vienetas.

joje atsirandantis mechaninis įtempis. Bandy-

mais gautą mechaninio įtempio priklausomybę nuo kūno santykinio pailgėjimo, kai deformacija maža, nusako Hūko dėsnis.

Jis teigia, kad,

kūnui

mažai

deformuojantis,

mechaninis

įtempis o yra tiesiogiai proporcingas kūno

santykiniam pailgėjimui 0). Jeigu dujos šilumą atiduoda aplinkai (O < 0), jų atliktas darbas yra neigiamas

(A' < 0). Dujas veikiančių išorinių jėgų darbas šiuo atveju yra teigiamas (A > 0).

Pirmojo termodinamikos dėsnio taikymas izobariniam vyksmui Izobarinio vyksmo metu dujų slėgis yra pastovus, o kinta tik dujų tūris ir temperatūra. Pritai-

kykime pirmąjį termodinamikos dėsnį izobariniam plėtimuisi (žr. 1.8.3 pav., a, b). Plėsdamosi

dujos atlieka darbą (A' > 0), be to, didėja šil-

domų dujų vidinė energija (AU > 0). Vadina-

si, pastovaus slėgio sąlygomis dujoms perduotas

šilumos kiekis naudojamas pakeisti ir darbui atlikti:

jų vidinei energijai

O=AU+A.

(4.19)

103

Pirmojo termodinamikos dėsnio taikymas adiabatiniam vyksmui Tikriausiai teko pūsti dviračio padangą. Turėjo-

te pastebėti, kad, pučiant orą, dviračio pompa įšy-

Vėstant

orui,

vandens

garai

virsta

sočiaisiais,

pradeda kondensuotis ir iš jų formuojasi debesis.

la. Taip yra dėl to, kad, atliekant mechaninį darbą, didinama slegiamų dujų vidinė energija. Staigiai

Apatinis debesies kraštas žymi rasos taško sritį. Garams debesyje kondensuojantis, į aplinką išsi-

minės sistemos (dujų) ir aplinkos nevyksta. Todėl

viau nei jo aplinkoje ir toliau plėsdamasis kyla į viršų. Debesies storis gali siekti iki 10 km. Net labai karštomis vasaros dienomis debesų viršū-

suslegiant dujas, šilumos mainai tarp termodinadujų vidinė energija greitai net užsidegti (4.2.2 pav., a). sistemos būsenos kitimas, lumos mainų su aplinka

didėja ir dujos gali Termodinaminės vykstantis be ši(izoliuotoje nuo

šilumos sistemoje), vadinamas adiabatiniu

vyksmū.

skiria šiluma, todėl oras debesyje vėsta intensy-

nės yra neigiamos temperatūros srityje, kur lie-

taus lašeliai virsta ledu.

Šiam vyksmui pritaikę pirmąjį termo-

dinamikos dėsnį, gauname:

AU= A. Taigi

adiabatinio

vyksmo

(4.20) metu

dujų

vidinės

energijos pokytis AU lygus išorinių jėgų atliekamam darbui. Iš 4.20 lygybės matyti, kad dujų

vidinė energija kinta tik atliekant darbą. Adiabatinis vyksmas taikomas dyzeliniame vidaus

degimo

variklyje!.

Jame

išorinės jėgos,

slėgdamos dujas, atlieka teigiamą darbą. Spaudžiamų dujų vidinė energija didėja, jų temperatūra kyla ir pasiekia 500-700 *C. Suspaudimo

pabaigoje į cilindrą įpurškiama degalų, kurie dėl

46.1 pav,a

A, km

aukštos temperatūros užsidega. Dyzeliniai varikliai plačiai paplitę, nes naudoja pigesnius degalus. Tačiau šių variklių degalų tiekimo sistemai reikalingos labai tiksliai pagamintos detalės, o jų gamyba brangi.

Plėsdamosi adiabatiškai, dujos atlieka teigiamą darbą (A' > 0), jų vidinė energija mažėja. Vadinasi, dujos aušta. Pavyzdžiui, gazuotame vande-

2

g E E5 ĖE El E o

nyje plečiantis dujų pripildytiems burbuliukams,

vandens temperatūra pasidaro žemesnė už aplinkos temperatūrą. Adiabatiškai besiplečiančių dujų atšalimu paaiškinamas debesų susidarymas Žemės atmosferoje. Didėjant aukščiui, atmosferos slėgis mažėja. Įkaitęs oras kyla į viršų (4.6.1 pav., a), o, pasiekęs mažesnio slėgio sritį, staiga plečiasi ir atvėsta. Oras kyla į viršų tol, kol jo temperatūra susilygina su aplinkos temperatūra (4.6.1 pav., b).

46.1 pav,b

"Primename, kad dyzelinis variklis ir jame naudojami degalai taip pavadinti pagerbiant vokiečių išradėją Rudolfą Dyzelį (Rudolf Diesel).

va

ilumos balanso lygtis Šilumos balanso lygtis apibūdina vyksmus izo-

liuotoje nuo aplinkos (uždarojoje) sistemoje. Ši

lygtis išplaukia iš energijos tvermės dėsnio ir pirmojo termodinamikos dėsnio.

Uždarosios sistemos pavyzdys — vanduo kalorimetre. Į kalorimetrą įmetus įkaitintą geležies

gabalėlį, šilumos mainai vyksta tik tarp geležies

ir vandens. Jų nėra su aplinka, nes kalorimetras gerai izoliuoja šilumą. Darbas termodinaminėje sistemoje „vanduo ir geležis“ neatliekamas. Pa-

gal energijos tvermės dėsnį abiejų kūnų vidinės energijos pokyčių suma lygi nuliui:

AU, +AU, = 0.

Ši lygtis vadinama šilumės balanso lygtimi. Joje O,

mos

ir O, - kūnų

kiekis.

Gautas

gautas ir atiduotas

šilumos

kiekis

šilu-

teigiamas

(O, > 0), atiduotas — neigiamas (O, < 0). Jei šilumos mainai vyksta tarp daugiau negu dviejų izoliuotų nuo aplinkos kūnų, šilumos balanso

lygtis užrašoma taip:

O AO

AO

A

AC

(4.21)

Ji rodo, kad vienų kūnų gautas šilumos kiekis yra lygus kitų kūnų atiduotam šilumos

kiekiui.

Iš pirmojo termodinamikos dėsnio matyti, kad AU = 0. Vadinasi, šilumos kiekių suma taip pat

turi būti lygi nuliui:

Šilumos balansas turi praktinę reikšmę. Name

suvartotą ir įvadiniu šilumos apskaitos prietaisu

išmatuotą šilumos kiekį sudaro šių šilumos kiekių suma: šaltam vandeniui pašildyti, karšto vandens temperatūrai palaikyti, patalpoms šildyti.

0+0,=0.

Pateikite izoterminių, izobarinių, izochorinių ir adiabatinių vyksmų pavyzdžių. Kokių dujų vyksmų metu nėra šilumos mainų su aplinka? Kada dujos atlieka didesnį darbą: plėsdamosi

izotermiškai ar izobariškai? Tarkite, kad dujų

tūrio pokytis abiem atvejais yra vienodas.

Vienatomės dujos vieną kartą šildomos nekintant tūriui, kitą kartą — nekintant slėgiui.

Abu kartus temperatūra pakinta vienodai. Kuriuo atveju dujoms suteikiama daugiau

šilumos? Kiek kartų daugiau?

(2

4.6.2 pav.

2)

"E

Pradinę dujų būseną žymi taškas A, o galinę- taškas C (4.6.2 pav.). Pirmuoju atveju dujų būsenos kitimą vaizduoja vyksmai ABC, antruoju atveju — ADC. Remdamiesi paveiksle pateiktais termodinaminiais dydžiais, apskaičiuokite, kiek skiriasi šilumos kiekiai abiem atvejais.

Pasidomėkite šiuolaikiniais automobiliais. Pasirinkite vieną jums patinkančio automo-

bilio modelį. Iš interneto sužinokite, kiek kai-

nuoja toks automobilis su benzininiu ir kiek — su dyzeliniu varikliu, kokios yra benzino ir dyzelino kainos. Apskaičiuokite, per kiek metų atsipirktų automobilis su dyzeliniu varikliu. Nustatykite, kaip automobilio atsipirkimo laikas priklauso nuo atstumo, nuvažiuoto per metus.

Į indą, kuriame yra 10 kg 293 K temperatūros vandens, įleidžiama 0,2 kg vandens garų.

Jų temperatūra 373 K. Garai virsta vandeniu. Kokia vandens temperatūra nusistovi susi-

kondensavus garams? Į šilumos nuostolius

neatsižvelkite.

(305 K)

105

Mokomės savarankiškai spręsti uždavinius Į 5 kg vandens panardinta 1 kg ledo. Vandens | Tirpstantis ledas ir iš jo susidaręs vanduo gauna temperatūra 300 K, ledo 273 K. Kokia nu- | šilumos kiekį

Kava

a

242

sistovės galinė temperatūra?

O, = Xm, + em(T-

Taikydami energijos tvermės šilumos balanso lygtį:

1).

dėsnį, sudarome

0+0-0, arba

c = 4200 Į/(kg-K) X > 3,35

10 )/kg

10,|=

Įrašome šilumos kiekių išraiškas:

1T,- 1) T) == M Am,

em(T —

Sprendimas

Šiltas vanduo ledui atiduoda šilumos kiekį

0, = m(T,- 1).

+ cm

1-1).2)

Iš čia išreiškiame galinę temperatūrą:

p SI

om, m,

e(m, + m,)

Į gautą lygtį įrašome žinomas dydžių vertes:

1-

4200 J/(kg:K) 5 kg 300 K 14200 Į/(kg-K)* 1 kg* 273 K —3,35/ 107] 1 kg 4200 Įkg-K)* 6 kg

-2822K.

Atsakymas. 282,2 K. Pasitikrinkite pažangą

m“

Co

Kibire buvo 5 kg vandens, kurio temperatūra

Du namai turi skirtingas šildymo sistemas.

ta į kibirą, jeigu jame nusistovėjo 30 9C temperatūra? (1.5 kg)

tas vanduo, į antro - karšti garai. Vandens ir garų temperatūra vienoda ir lygi 82 9C. Iš abiejų šildymo sistemų vanduo išeina at-

99C. Kiek kilogramų verdančio vandens įpil200g metalinis ritinys iš pradžių buvo pakaitintas verdančiame vandenyje, paskui pa-

nardintas į 400 g vandens, kurio temperatūra 229C. Po tam tikro laiko vandens tempera-

tūra pakilo iki 25 9C. Apskaičiuokite medžia-

gos, iš kurios pagamintas ritinys, savitąją (336 J/(kg:K)) šilumą.

S

g ž = d k3 El E E

G

„Namo šildymo sistema naudoja 2 + 10“ I vandens. Į namą patenkančio vandens tempera-

tūra yra 65 9C, iš šildymo sistemos išeinančio

vandens temperatūra 35 9C. Pakeitus namo langus, buvo sutaupyta 20 96 šilumos. Sužinokite, kiek šiuo metu reikia mokėti už vie-

ną kilovatvalandę šilumos. Apskaičiuokite, kiek pinigų sutaupė namo gyventojai, pakeitę langus.

Į pirmo namo šildymo sistemą patenka karš-

vėsęs iki 40 9C. Kokia masė garų antro namo sistemoje atiduoda tiek pat šilumos kiek 1 kg vandens pirmo namo sistemoje?

(709)

((5-) Stabdymo pradžioje 10 I masės krovininio

automobilio greitis buvo 28,8 km/h. Kiek šilumos išsiskyrė stabdymo metu? Tarkite, kad visa automobilio kinetinė energija virto idi

ija.

vidinę energija

i“

320 k)

Izobarinio plėtimosi metu 20g vandenilio

A

tūris padidėjo du kartus. Dujų pradinė temperatūra buvo 300 K. Apskaičiuokite: a) besiplečiančių dujų atliktą darbą:

(2493 K]) 6) dujų vidinės energijos pokytį: | (62.325 kĮ)

€) dujoms suteiktą šilumos kiekį.

(87.255 kJ)

4.7. Antrasis termodinamikos dėsnis Negrįžtamieji procesai Pirmasis termodinamikos

tvermės

dėsnis,

pritaikytas

dėsnis yra energijos

šiluminiams

reiški-

niams. Tačiau jis nenurodo gamtoje vykstančių šiluminių

reiškinių

krypties.

Labai

dažnai

pro-

cesai, kuriems galioja pirmasis termodinamikos dėsnis, gamtoje nevyksta. Pateikiame tokio proceso

pavyzdį.

Į kalorimetrą

su

šaltu

vandeniu

panardinamas karštas kūnas. Šaltas vanduo, ati-

duodamas tam tikrą šilumos kiekį karštam kūnui,

dar labiau vėsta, o karštas kūnas, patekęs į šaltą vandenį, kaista smarkiau. Pirmasis termodinami-

kos dėsnis šiuo atveju galioja, energijos tvermės dėsnis nepažeidžiamas, tačiau tokie procesai iš tikrųjų niekada nevyksta.

Šiluma gamtoje perduodamatik viena kryptimi —

karštesni kūnai ją savaime perduoda šaltesniems. Tai tęsiasi tol, kol kūnų temperatūra susilygina —

471

pav.

Gamtoje

visi makroskopiniai

procesai

vyksta

tik viena kryptimi. Priešinga kryptimi jie savaime vykti negali. Pavyzdžiui, 4.7.2 paveiksle

sas, t. y. savaiminis šaltesnio kūno šilumos perda-

pavaizduotas buitinis reiškinys (b atvejis) iš tiesų yra neįmanomas. Viena gamtoje vykstančių procesų kryptis mums yra įprasta. Pavyzdžiui,

šilumą būtų

jis nepakils iš vandens ir nesugrįš į mūsų rankas.

nusistovi šiluminė pusiausvyra. Atvirkščias procevimas karštesniam, gamtoje nevyksta. Šalto kūno galima atiduoti karštesniam,

tačiau

reikėtų naudoti specialius įrenginius: šaldytuvus, šilumos siurblius.

Kitas pavyzdys. Suspaustos dujos cilindre ple-

čiasi tol, kol jų slėgis susilygina su išoriniu

įmetę akmenį į vandenį, žinome, kad savaime Šis neįmanomas

procesas nesikerta su energijos

tvermės dėsniu, tačiau prieštarauja antrajam termodinamikos dėsniui.

atmosferos slėgiu. Tačiau niekada savaime dujos pačios vėl nesusispaudžia. Suspausti jas galima

tik paveikus išorine jėga. Procesai,

kurie

savaime

vyksta

tik viena

kryptimi, vadinami negrįžtamaisiais vyksmais. Difuzija — taip pat negrįžtamasis vyksmas.

Į vandenį įpylus rašalo, jo molekulės susimaišo su

vandens molekulėmis (4.7.1 pav.) ir visas vanduo

ilgainiui nusidažo mėlynai, tačiau rašalo moleku-

lės negali savaime grįžti į vandens paviršių.

47.2 pav, a

Antrasis termodinamikos dėsnis Antrasis

termodinamikos

dėsnis

nurodo

energijos virsmų gamtoje kryptį ir pabrėžia, kad visi vyksmai yra negrįžtamieji. Šio dėsnio nega-

lima išvesti teoriškai. Kaip ir pirmasis termodi-

namikos dėsnis, jis pagrįstas daugelio bandymų rezultatais.

Jo fizikinę prasmę

sudaro

tai, kad

107

medžiagos molekulių

šiluminio judėjimo ener-

gija kokybiškai skiriasi nuo kitų rūšių energijos. Kiekvienas vyksmas, kurio metu bet kurios rūšies energija virsta molekulių šiluminio judėji-

mo energija, yra negrįžtamasis.

Antrasis termodinamikos dėsnis formuluojamas įvairiai, tačiau visos formuluotės reiškia tą patį, todėl yra lygiavertės. Labiausiai paplitusi vokiečių

mokslininko

Rudolfo

Klauzijaus

jų aplinka. Kita šio dėsnio formuluotė rodo, kad darbu galima paversti ne visą kūno vidinę energiją,

energijos

o tik jos dalį: neįmanoma

perduoti

iš aukštos

vidinės

temperatū-

ros šaltinio taip, kad atliktas darbas būtų

lygiavertis su tuo vidinės energijos kiekiu. Ši formuluotė turi svarbią reikšmę technologiniuose procesuose. Ji rodo, kad neįmanoma jėgainėse

deginamų

anglių, naftos ar dujų visos

(Rudolf Clausius) pateikta formuluotė: šaltesnis kūnas negali perduoti šilumos karštesniam,

vidinės energijos paversti darbu. Dalis energijos visada perduodama aplinkai: vandeniui aušini-

kai tuo pačiu metu nekinta abu kūnai arba

mo sistemoje, atmosferai.

Antrojo termodinamikos dėsnio statistinis aiškinimas Antrasis termodinamikos dėsnis nurodo, kuria

susi-

pav., b). Judėdamos dujų molekulės vidutiniškai pusę laiko būna vienoje indo dalyje, pusę - kito-

sena. Sakykime, turime sandarų indą, pertvara padalytą į dvi dalis. Kairiojoje dalyje yra dujų, o

indo dalį, yra labai maža. Statistiniai skaičiavimai rodo: kad visos molekulės kairiojoje indo

tvarą, dujos savaime pasklinda po visą indą (4.7.3

31077 metų. Šis laikotarpis daugelį milijardų

kryptimi kinta uždarosios sistemos kūnų,

dedančių iš daugelio dalelių, makroskopinė bū-

dešiniojoje — tuščia (4.7.3 pav., a). Išėmus perDujų molekulė

Pertvara

|

Dujų molekulė

473 pav,a

je. Tikimybė, kad visos molekulės grįš į kairiąją

pusėje išbūtų 1 us, reikia laukti daugiau kaip

kartų ilgesnis už visatos amžių. Uždaroji sistema, sudaryta iš daugelio dalelių, savaime pereina iš tvarkingesnės būsenos į ne tokią tvarkingą. Kitaip tariant, uždaroji sistema savaime pereina iš mažiau tikėtinos jos dalelių išsidėstymo būsenos į labiau

tikėtiną.

Šaldytuvas. Oro kondicionierius

i

“ E E2 £ EE = ž

Šaldytuve ar oro kondicionieriuje šiluma pereina iš šaltesnių kūnų į šiltesnius. Nesigilinant į šių prietaisų sandarą ir veikimą, susidaro įspū-

Šil

paimtas Iš šaldomųkiekis,produktų

2

dis, kad pažeidžiamas antrasis termodinamikos

dėsnis. Iš tiesų tiek šaldytuve, tiek oro kondicionieriuje vykstantys procesai paklūsta fizikos

dėsniams.

DARBINĖ MEDŽIAGA

ome, kad šaldytuvo paskirtis — šaldy-

ti maisto produktus. Tačiau ne kiekvienas žino,

kad šaldytuvas ne tik šaldo produktus, bet ir šildo kambario orą. Šaldytuvo veikimo bendroji schema pavaizduota 4.7.4 paveiksle. Kompre-

sorinio šaldytuvo darbinė medžiaga - žemos vi-

47A pav.

—

Elektros srovės EE

Kompresorius

Siurbimo vamzdelis

Įpurškimo vamzdelis

Garinimo kondensatorius

4.76 pav.

kiant elektros varikliui, šaltesnių kūnų oro kondicionieriuje kūnams.

perduodama

šiluma

šiltesniems

Geoterminis šildymas Naujuose pastatuose (privačiuose namuose, 4.7.5 pav.

rimo temperatūros skystis. Jis perneša šilumą iš

šaltesnių kūnų į šiltesnius. Šis procesas gali vykti tik tada, kai išorinės jėgos atlieka darbą. Šaldytuve jį atlieka elektros variklis. Jis reguliuoja kompresoriaus veiklą (4.7.5 pav.). Kompresorius

pumpuoja darbinės medžiagos garus į kondensa-

torių, įtvirtintą šaldytuvo užpakalinės sienelės iš-

orėje. Slegiami garai šildo kondensatorių, o šis — kambario orą. Kondensatoriuje iki kambario

gamybiniuose pastatuose, šiltnamiuose ir kt.) vis dažniau įrengiamas geoterminis šildymas. Šio šildymo sistema naudoja paviršiniuose žemės sluoksniuose susikaupusią saulės energiją. Tokioje sistemoje taikomas atvirkštinis šaldytu-

vo ar kondicionieriaus veikimo principas: laukas aušinamas, o patalpos šildomos. Geoterminio

šildymo sistemą (4.7.7 pav.) sudaro:

+ vamzdynų sistema šilumai iš žemės paimti; + šilumos siurblys;

+ šildymo sistema patalpose.

temperatūros atvėsinti garai kondensuojasi. Susidaręs skystis patenka į garinimo sistemą (šaldy-

mo kamerą). Joje kompresorius palaiko mažesnį slėgį, todėl skystis pradeda virti net esant 0 9C temperatūrai. Skysčiui garinti reikalinga ener-

gija imama iš šaldymo kameros sienelių. Taip sukuriamas

šaldymo

efektas. Susidarę garai vėl

patenka į kompresorių

ir procesas kartojasi iš

naujo.

Oro kondicionierius veikia tuo pačiu principu kaip šaldytuvas (4.7.6 pav.). Jeigu šaldytuvo šaldymo kamerą paliktume atvirą, o šildantį orą kondensatorių įtaisytume lauke, turėtume oro kondicionierių. Šaldymo kamera vėsina kambario orą, o kondensatorius

šildo lauko orą. Vei-

109

Grunto temperatūra didesniame nei 1,5 m gylyje tiek žiemą, tiek vasarą būna pastovi (apie 6-8 *C). Tokiame gylyje išvedžiojama geoterminio šildymo vamzdynų sistema, kuria cirku-

liuoja vanduo (4.7.7 pav.). Cirkuliaciją palaiko

Geoterminis

šildymas yra pats ekologiškiau-

sias, jis visiškai neteršia aplinkos. Perduodant ši-

lumą iš žemės į patalpas, nėra jokio degimo. Be to, geoterminio šildymo sistema yra visiškai už-

dara. Geoterminis šildymas labai ekonomiškas,

šilumos siurblys, naudojantis elektros energiją. Siurblys atlieka darbą paimdamas iš vandens šilumą ir atiduodamas ją namo šildymo sistemos vandeniui. Vadinasi, geoterminio šildymo sistemoje antrasis termodinamikos dėsnis nepažeidžiamas. Šaltesnio kūno šiluma perduodama

nes aplinkos šiluma nieko nekainuoja. Reikia mokėti tik už elektros energiją, kurią naudoja šilumos siurblys ir elektronikos prietaisai.

darbą.

ir pan.

šiltesniam

kūnui,

išorinėms

jėgoms

atliekant

Šilumos

siurbliai

būna

įvairių

konstrukcijų,

skirti šilumai paimti iš grunto, vandens, oro. Geoterminis šildymas gali būti derinamas su elektriniu šildymu, taip pat šildymu kietuoju kuru

Ar šaldytuvo, oro kondicionieriaus, geoter-

Kokius vyksmus vadiname negrįžtamai-

minio šildymo sistemos veikimas paklūsta antrajam termodinamikos dėsniui? Atsakymą pagrįskite.

siais?

Pateikite negrįžtamųjų vyksmų pavyzdžių. Kokia yra antrojo termodinamikos dėsnio esmė? Suformuluokite tą dėsnį.

Parenkite pranešimą apie geoterminį šildymą: pasidomėkite jo istorija, grunto, oro ir vandens siurblių veikimu, internete paieškokite informacijos apie geoterminio šildymo ekonomiškumą, palyginkite geoterminio šildymo

Kaip statistiškai aiškinamas antrasis termodinamikos dėsnis?

Kodėl dūmai išsisklaido ore? Kodėl šis

ir kitų šildymo sistemų (elektrinio šildymo,

vyksmas yra negrįžtamasis?

šildymo kietuoju kuru) kainą.

4.8. Šiluminiai varikliai.

Jų naudingumo koeficientas

=

g ž r 2 ĖE El E g

Šiluminių variklių samprata Energijos, tenkančios vienam gyventojui, ga-

giniai, kurie kuro vidinę energiją paverčia

lies rodiklių. Vienas Žemės gyventojas per parą suvartoja vidutiniškai 180 mln. džaulių energi-

Šiluminiai varikliai įrengiami automobiliuose, motocikluose, šiluminėse ir atominėse elektrinė-

jos. Ji naudojama

se, laivuose. Jie naudojami ir aviacijoje. Lengvuo-

myba ir suvartojimas yra vienas svarbiausių ša-

įvairiose veiklos srityse: pra-

monėje, transporte, žemės ūkyje, buityje. Dar XIX a. buvo pradėti gaminti įrenginiai, galintys panaudoti vidinę energiją. Tai — šiluminiai vari-

kliai. Šiluminiais varikliais vadinami įren-

mechanine energija.

se lėktuvuose įrengiami stūmokliniai varikliai, dideliuose laineriuose — reaktyvieji varikliai, kurie taip pat yra šiluminiai varikliai.

Šiluminio variklio sandara ir bendrieji veikimo principai Kiekvieną šiluminį variklį sudaro trys pagrindinės dalys (4.8.1 pav.): + šildytuvas, teikiantis energiją darbinei me-

Temperatūros T, šildytuvas

ja

džiagai;

+ darbinė

medžiaga

(dujos

arba garai);

DARBINĖ MEDŽIAGA

+ aušintuvas, paimantis dalį darbinės medžiagos

E

energijos.

Šildytuvu vadinamas garo katilas arba degimo

kamera. Šildytuve degant kurui arba vykstant branduolinėms reakcijoms, išsiskiria šiluma, kuri

tiekiama darbinei medžiagai. Kuras — tai degio-

sios medžiagos: dujos, nafta, anglys. Apie 90 6 visos žmonijos per metus

suvartojamos

energi-

A

Temperatūros T, aušintuvas 4.8.1 pav.

jos gaunama deginant kurą. Jo kokybę apibūdina savitoji degimo šiluma (4), t. y. šilumos kie-

vidine energija, o ši - automobilio slenkamojo

Žinodami

riklio veiklos etapas, nes atliekamas mechaninis

kis, kurį išskiria visiškai sudegdamas 1 kg kuro. savitąją kuro degimo

šilumą, galime

apskaičiuoti, kiek šilumos išsiskirs sudegus bet kuriam jo kiekiui m:

O=

(4.22)

gm.

Idytuvo gauta energija padidina darbinės gos (dujų) temperatūrą šimtais ar net tūkstančiais laipsnių. Dėl to darbinės medžiagos slėgis pasidaro didesnis už aplinkos slėgį ir medžiaga ima plėstis. Plėsdamasi ji atlieka darbą. Vidaus degimo variklyje plėsdamosi dujos stumia stūmoklį,

slinkdamas suka alkūninį

leną. Jo sukimasis krumpliaračių pavaros sistema

perduodamas

automobilio ratams. Taip degant

kurui išsiskyrusi energija virsta įkaitusių dujų

judėjimo mechanine energija.

Dujų plėtimasis yra svarbiausias šiluminio va-

darbas. Jis pasibaigia, kai dujų slėgis susilygina su aplinkos slėgiu. Kad šiluminis variklis dirbtų ilgai, procesai jame turi periodiškai kartotis.

Vadinasi, dujas reikia grąžinti į pradinę būseną — suspausti.

Žemesnės

temperatūros dujas spausti

lengviau, todėl prieš spaudžiant dujos atvėsinamos. Tam naudojamas aušintuvas. Garo turbinoje tai yra atmosferos oras arba specialus įrenginys panaudotajam garui aušinti ir kondensuoti (vadinamasis

kondensatorius),

vidaus

degimo

variklyje — atmosferos oras. Aušintuvas laiduo-

ja ciklinį vyksmą. Tiek vidaus degimo variklių, tiek kitų šiluminių mašinų darbas yra nuolat pasikartojančių ciklų visuma.

Šiluminio variklio darbo ciklo grafinis vaizdavimas Šiluminio variklio darbo ciklą galima pavaiz-

duoti slėgio-tūrio diagrama (4.8.2 pav.). Dujų izoterminį

plėtimąsi

atitinka

diagramos

dalis

AB, o spaudimą — dalis CD. Plėsdamosi dujos atlieka teigiamą darbą (AV > 0), kuris lygus figūros FABE plotui. Slegiamos dujos atlieka nei-

giamą darbą (AV < 0), kurio skaitinė vertė lygi tigūros FDCE plotui. Ciklo metu atliktas darbas lygus izotermų AB ir CD bei vertikalių atkarpų

AD ir BC ribojamam plotui.

48.2 pav. Šiluminis variklis atlieka naudingą mechaninį

darbą, kai dujos plečiasi esant aukštesnei tem111

peratūrai,

o slegiamos

esant

žemesnei

tempe-

ratūrai. Dujoms plečiantis, šiluma gaunama iš šildytuvo, o jas spaudžiant — atiduodama aušintuvui. Šiluminis variklis atlieka darbą, nau-

dodamas

kūnai

vidinę

energiją,

perduoda

kurią

šaltesniems.

karštesni

Atliktas dar-

bas yra mažesnis už šilumos kiekį, gautą iš šildytuvo.

Realaus šiluminio variklio naudingumo koeficientas Šiluminiame variklyje, pasibaigus vienam dar-

bo ciklui, dujos grąžinamos į pradinę būseną. Va-

dinasi, jų vidinės energijos pokytis lygus nuliui:

AU = 0. Tada pagal pirmąjį termodinamikos dėsnį darbas lygus per ciklą gautam šilumos kiekiui:

AU=O-A'= 0, arba A" = O.

(4.23)

šilumos kiekis atiduodamas aušintuvui, šiluminio

variklio naudingumo koeficientas visada yra ma-

žesnis už vienetą (1 < 1), arba už 100 6 (1 < < 100 6). 4.1 lentelėje pateikiame kai kurių šiluminių variklių naudingumo koeficientų vertes. 4.1 lentelė

Šilumos kiekis O lygus iš šildytuvo gauto šilumos

kiekio

O,

ir aušintuvui

atiduoto

kiekio O, skirtumui (žr. 4.8.1 pav.), todėl

A =|0,|-18,|-

šilumos

koeficientas

(4.24)

Variklio atlikto darbo A'ir iš šildytuvo gauto šilumos kiekio O, santykis vadinamas ši-

luminio variklio naudingūmo koeficientū:

1“

a 10

AI -I8 TO]

Kai kurių šiluminių variklių naudingumo

10 10]: (4.25)

Pagal 4.25 formulę apskaičiuojamas realaus ši-

luminio variklio naudingumo koeficientas. Kadangi visuose šiluminiuose varikliuose tam tikras

Šiluminis variklis

koeficientas, 90

Karbiuratorinis automobilio variklis

25

Turboreaktyvinis variklis

20-30

Dujų turbinos įrenginys

25-29

Karbiuratorinis aviacinis variklis

35-40

Turbodyzelinis variklis

35-44

Garo turbina

15-40

Idealaus šiluminio variklio naudingumo koeficientas Tyrėjai visais laikais ieško būdų, kaip padidinti šiluminio variklio naudingumo koeficientą. 1824 m. prancūzų

i

O E E5 £ EE E Žž

inžinierius Sadi Karno

(Sadi Carnot) knygoje „Apmąstymai apie va-

romąją ugnies jėgą“ aprašė idealaus šiluminio variklio modelį. Jį sudaro šilumai nelaidus ci-

lindras bei stūmoklis ir iš šilumai laidžios medžiagos pagamintas

pagrindas (4.8.3 pav., a).

Idealaus šiluminio variklio darbą apibūdina

Karno ciklas, susidedantis iš keturių etapų: 1) temperatūros T, dujos gauna šilumos iš šildytuvo

plečiasi;

(4.8.3

pav.,

a,

b)

ir

Uzudingumo

izotermiškai Sadi Karno

2) cilindro pagrindas izoliuojamas (4.8.3 pav., c) ir dujos, plėsdamosi adiabatiškai, atvėsta iki

temperatūros T, (T, < T,);

3) cilindro pagrindas aušinamas (4.8.3 pav., d),

temperatūros T, dujos izotermiškai slegiamos;

1

į E

!

— Šilumą.

įzoliuojanti

medžiaga

L

4) cilindro pagrindas izoliuojamas nuo išorinės aplinkos (4.8.3 pav., e) ir adiabatiškai slegiamų dujų temperatūra vėl pasiekia pradinę vertę T.

|

'

'

Šilumai

laidi medžiaga Temperatūros T, šildytuvas

šildytuvas

483 pav, a

Karno

įrodė,

l Temperatūros

T,

LI Šilumą izoliuojanti medžiaga

483 pav, b kad

idealaus

1 Temperatūros

aušintuvas

483 pav,c

šiluminio variklio

483 pav,d

T,

"2

Šilumą izoliuojanti

medžiaga

4833 pav, e

Iš 4.26 formulės matyti, kad šiluminių variklių

naudingumo koeficientas lygus šildytuvo ir au-

naudingumo koeficientą galima padidinti dviem

peratūros santykiui:

žinant aušintuvo temperatūrą 1. Jeigu būtų 1, =

šintuvo temperatūrų skirtumo ir šildytuvo tem-

(4.26) Realiame

variklyje

neįmanoma

sukurti

ciklo,

susidedančio iš dviejų idealių izoterminių ir dvie-

būdais: didinant šildytuvo temperatūrą 1, ir ma-

= 0, mašinos naudingumo koeficientas prilygtų vienetui. Šis naudingumo koeficiento didinimo

būdas neįgyvendinamas, nes aušintuvo tempe-

ratūra dažniausiai būna lygi atmosferos temperatūrai,

t.y. apie

300 K.

Vadinasi,

reikia

didinti

šildytuvo temperatūrą 1,, sudaryti kuo didesnį

jų adiabatinių procesų. Todėl bet kokios realios

šildytuvo ir aušintuvo temperatūrų skirtumą.

T, šildytuvą ir temperatūros T, aušintuvą, naudingumo koeficientas negali būti dides-

galima padidinti ir kitais būdais: mažinant jo de-

šiluminės mašinos, turinčios temperatūros nis negu idealios mašinos (1 < n,).

Kokie įrenginiai vadinami šiluminiais varikliais?

Kam šiluminiuose varikliuose reikalingas

aušintuvas? Kokie yra bendrieji šiluminių variklių veikimo principai? Kaip išreiškiamas šiluminių variklių naudingumo koeficientas? Kokiais būdais jį galima

padidinti?

Šiluminio

variklio

naudingumo

koeficientą

talių tarpusavio trintį, taip pat nuostolius, pati-

riamus dėl to, kad kuras sudega ne iki galo.

Šiluminis variklis per vieną ciklą iš šildytuvo gauna 100 J šilumos, o aušintuvui atiduoda 60 J. Koks yra šio variklio naudingumo koe-

ficientas?

(40 06)

Nuo Žemės paviršiaus kylančiuose oro srautuose galima įžvelgti šiluminį variklį. Paaiškinkite, kaip jis veikia. Vadovėlyje aprašytą idealaus šiluminio variklio Karno ciklą pavaizduokite slėgio-tūrio diagrama.

113

Mokomės savarankiškai spręsti uždavinius 1. Sudegindama

0,4

kg

dyzelinių

degalų,

garo turbina pagamina 1 kW-h energijos. Į turbiną patenkančių garų temperatūra 300 *C, aušintuvo temperatūra 35 *C. Apskaičiuokime: a) garo turbinos naudingumo koeficientą; b) idealios šiluminės mašinos, veikiančios tokiomis pat sąlygomis, naudingumo koeficientą.

kg

1 kWh

3,6 * 10J

=

gant

dyzeliniams

gauname:

koeficientą

kiekio,

kuris

degalams,

išsiskiria de-

išraišką

O

= gm,

variklio

am

3,610]

GrMA0Ę

|

44-10

čia T, = (273 + 300) K = 573 K, T, = (273 +

a) Šilumos kiekį, kurį išskiria visiškai sudeg-

damas nurodytas kiekis benzino, apskaičiuojame pagal formulę O, = gm. Įrašę dydžių vertės, gauname:

= 9384-10] = 94-10" J.

S

BK MK

046,

273K-308K

Naudingąjį variklio galia ir laiku:

koeficientus,

pat sąlygomis,

matome,

kad

nau-

idealios

mašinos jis yra daugiau kaip 2 kartus didesnis.

Atsakymas. a) 0,21; b) 0,46.

(0)

darbą išreiškiame variklio

A= Nt.

(2)

Žinodami kelią, galime rasti laiką:

1-4

(3)

2 ir 3 lygybę įrašome į 1 lygybę ir apskaičiuoja-

Palyginę realios ir idealios šiluminės maši-

dingumo

10* kg =

b) Variklio naudingumo koeficientas

+ 35) K = 308 K. Įrašę dydžių vertes, turime:

nos, veikiančios tokiomis

W

4

Nu >

" ž E 2 Ė3 El E E

koefi-

Sprendimas

7 021

b) Idealios šiluminės mašinos naudingumo koeficientas randamas pagal formulę

n —=

naudingumo

O, = 46-10 J/kg > 2,04

Apskaičiuojame naudingumo koeficiento vertę:

nN-

reaktyviojo

v = 900 km/h = 250 m/s

= A

|

b)

N=

= 40

ns

greitį. Apskaičiuokime: a) šilumos kiekį, išsiskiriantį degant 2,04 x x 10? kg benzino;

ą= 46-10" ]/kg

Sprendimas a) Garo turbinos naudingumo apskaičiuojame pagal formulę Įrašę į ją šilumos

lia siekia 4,4 - 10* kW, lėktuvas įgyja 900 km/h

0, -?7|s = 100 km = 10 m 1-2? |m = 204: 10 kg

4 = 4210 J/kg

n

kelyje sudegina 2,04 - 10? kg benzino. Kai jo ga-

cientą.

= 300 *C = 35 9C 0.4

2. Reaktyvinio lėktuvo variklis 100 km ilgio

me naudingumo koeficiento vertę:

n-

= 43 Ns.

AIM m

N= BAI om

7 02

Atsakymas. a) 9,4-10“ J; b) 20 04.

(4)

Pasitikrinkite pažangą

1.

Per 1 h automobilio variklis sudegina 5 kg

a) garo mašinos naudingumo koeficientą:

(62,5 4)

benzino. Dujų temperatūra jo cilindre 1200 K. o išmetamų deginių temperatūra 370 K. Benzino savitoji degimo šiluma yra

b) darbą, atliekamą per vieną ciklą: (125 kĮ) €) vieno ciklo metu atiduotą šilumos kiekį.

46 MĮ/kg. Apskaičiuokite automobilio vari-

klio galią. 2.

(44 KW)

Traktoriaus variklio galia 81 kW, naudingu-

(75 kJ)

5.

Važiuodama automobiliu į kaimą pas močiutę, Lina pagal spidometro rodmenis nustatė,

3.)

mo koeficientas 25 16. Kiek dyzelinių degalų šis traktorius sudegina per 1h? || (27.77 kg)

kad automobilis važiavo 90 km/h vidutiniu

greičiu ir sudegino 18 I benzino. Mergaitė žinojo, kad nuo Vilniaus iki močiutės namų

Važiuodamas 27 km/h greičiu, traukinys per 1 h sunaudoja 400 kg dyzelinių degalų. Garvežio variklio naudingumo koeficientas

yra 200 km, o automobilio variklio naudin-

gumo koeficientas lygus 35 96. Padėkite Linai

30 04. Apskaičiuokite garvežio varos jėgą.

atsakyti

(186,7 kN)

4.

os klausimus:

a) kiek šilumos išsiskiria degant 14 I benzino;

(5796 MI)

Garo mašinos šildytuvo temperatūra 320 *C,

b) kokia yra vidutinė automobilio galia kelio-

o aušintuvo 120 “C. Per vieną ciklą mašina

iš šildytuvo gauna 200 kJ šilumos. Apskaičiuokite:

nės metu;

€) kiek laiko truko Linos kelionė?

25,35 kW)

(8: 10? s)

4.9. Vidaus degimo variklių keliama tarša

XXI a. žmogus sunkiai įsivaizduoja dieną be

automobilio. Manoma, kad dabar jų pasaulyje yra apie pusę milijardo. XX a. pradžioje automobilių buvo daug mažiau — visame pasaulyje

tik 11 tūkstančių. Nuolat didėjant automobilių skaičiui, vis aktualesnės darosi jų keliamos pro-

blemos:

+ aplinkos tarša (kenksmingi deginiai, padan-

gų ir kelių dangos nusidėvėjimo dulkės, triukšmas, kuro nutekėjimas, nugaravimas, panaudoti

tepalai); + kraštovaizdžio nuskurdinimas, kultūros pavel-

do naikinimas

(automobiliams

reikalingos

mil-

žiniškos asfaltu ir betonu padengtos teritorijos, todėl tenka aukoti puikius natūralius gamtovaizdžius bei derlingo dirvožemio plotus, keisti senųjų miestų ir miestelių urbanistinę struktūrą); e eismo įvykių padariniai (pavyzdžiui, per paskutinį

dvidešimtmetį

Lietuvos

keliuose

žuvo

per 16 tūkstančių žmonių, o apie 99 tūkstančius buvo sužalota);

+ nesveikas gyvenimo būdas (važinėdami au-

tomobiliais, žmonės mažiau juda: vaikšto pėsčio-

mis, važinėja dviračiais).

Ypač svarbi problema — automobilių keliama tarša. Daugiausia teršalų susidaro degant degalams.

Jeigu jie sudega

ne iki galo ir aplinkoje

nepakanka deguonies, susidaro smalkės (CO) — bespalvės ir bekvapės nuodingos dujos: Mūsų

šalyje

CO, + € = 2C0. automobilių

tarša

dažniausiai

vertinama tik pagal išmetamo anglies monoksido kiekį, tačiau negalima pamiršti ir kitų (jų yra apie 60) toksinių komponentų. Neigiamas

jų poveikis yra ne tik individualus, bet atskirais atvejais dar ir sumuojasi. Atmosferoje atsiran-

da naujų junginių — fotooksidantų. Pavyzdžiui,

azoto oksidai sukelia rūgštinį lietų, nuo kurio

115

guliavimas, važiavimo režimas. Degimo sureguliavimas tikrinamas per automobilio techninę apžiūrą (4.9.1 pav.).

Aktuali vidaus degimo variklių problema— an-

glies dioksidas (CO,). Šis junginys atmosferoje

sukelia šiltnamio reiškinį (4.9.2 pav.). Normaliomis sąlygomis dalį (apie du trečdalius) iš Saulės atsklidusios infraraudonosios spinduliuotės (šilumos) sugeria dirvožemis, akmenys, uolienos, o kita dalis (trečdalis) atsispindi ir grįžta į kos-

mosą. Padidėjusi anglies dioksido koncentracija veikia kaip vienpusis skydas. Saulės spinduliai

laisvai patenka į atmosferą, atsispindi nuo įvairių paviršių ir, negalėdami praeiti pro didelės koncentracijos CO, sluoksnį, lieka žemuosiuose atmosferos sluoksniuose. Dėl šiltnamio reiškinio

49.1 pav. labai kenčia gamtinė aplinka, kultūros paveldo objektai.

Automobilio variklyje kartu su 1 kg benzino sudegaapie 14 kg oro, oį atmosferą išmetama apie

15 kg įvairių dujų mišinio. Vadinasi, vienas auto-

kyla oro temperatūra. Vertinant automobilių išmetamų toksinių me-

džiagų poveikį gamtai ir žmogaus sveikatai, dažniausiai minimas švino poveikis. Tačiau švi-

nas nėra pats pavojingiausias.

Antai

benzpire-

mobilis, per metus nuvažiuodamas 10 tūkst. km

nas (vienas iš keliolikos automobilio išmetamų policiklinių angliavandenilių) yra gerokai tok-

lemia variklio tipas, degalų rūšis, degimo sure-

benzpireno koncentracija šalyje prie intensyvaus

ir sudegindamas 7 kg benzino 100 km, išmeta apie 10 t įvairių toksinių dujų. Jų kiekį ir sudėtį

siškesnis. Jis gali sukelti piktybines gerklės ir plaučių ligas. Lietuvos mokslininkai ištyrė, kad

ŠILTNAMIO REIŠKINYS Dalis energijos atsispindi atal į kosmosą

Saulės išskiriama energija prasiskverbia pro atmosferą

i

O E E5 ĖE E E ž2

4.9.2 pav.

Žemės paviršius yra šildomas saulės ir spinduliuoja šilumą

atgal į kosmosą

Atmosferoje

susikaupusios šiltnamio reiškinį

sukeliančios dujos dalį šilumos sulaiko

eismo magistralių 15-20 kartų didesnė nei leidžiamoji. Daržovių užterštumas benzpirenu net už 60-70 m nuo Vilniaus-Kaūno magistralės

keliolika kartų didesnis už leidžiamąjį. Didmiesčiuose

automobilių

teršalai

sukelia

smogą (4.9.3 pav.). Jo susidarymą lemia vietovės reljefas ir temperatūros inversinė zona'. Apatiniuose atmosferos

horizontaliai.

sluoksniuose oro srautai juda

Jų judėjimas

priklauso

nuo

vėjo

krypties ir stiprio. Jei vėjas stiprus, teršalai nesikaupia vienoje vietoje, o yra

išsklaidomi. Didelė-

se daubose (pavyzdžiui, Vilniaus miesto centre),

kalnuotose vietovėse vėjo įtaka daug mažesnė.

Todėl tokiose vietovėse teršalų pasiskirstymą Iemia vertikalūs oro srautai. Tačiau atsiradusi temperatūros inversinė zona neleidžia maišytis apatiniams ir viršutiniams atmosferos sluoksniams.

Teršalai

pasiekia

kaupiasi žemutiniuose labai

didelę

sluoksniuose

koncentraciją,

ir

atsiranda

smogas.

Saulėtą dieną oro teršalus veikia ultra-

violetiniai spinduliai ir susidaro dar toksiškesni junginiai. Šis reiškinys vadinamas fotocheminiu

smogu.

Labiausiai nuo šių ekologinių problemų

nukenčia vaikai ir žmonės, kurie serga kvėpavi-

mo bei širdies ir kraujagyslių sistemos ligomis. Vidaus degimo variklių keliamą taršą mažina tinkamai sutvarkyta kelių sistema: aplinkkeliai,

viadukai (4.9.4 pav.). Transporto keliamą triukšmą ir taršą taip pat mažina

želdynai, ekraninės

sienos, ekraniniai namai, pylimai. Gaminant

automobilius,

jų taršos

problemos

sprendžiamos pasitelkiant elektronikos, medžia-

gotyros, prietaisų pramonės sričių laimėjimus.

Šiuolaikiniuose automobiliuose įrengiamos elektroninio įpurškimo sistemos, elektromagnetiniai

uždegimo sistemų davikliai ir kt. Modernios automobilių variklių paleidimo elektrinės sistemos leidžia sumažinti variklių taršą ir triukšmą.

p

1 1 1 1 1

Tarpdalykinis projektas Parenkite projektą tema „Energija negyvojoje ir gyvojoje gamtoje“. Jame panagrinėkite energiją fizikiniu, cheminiu ir biologiniu aspektu:

a) kūno vidinės energijos fizikinė samprata; ! b) energijos gamyba ir kaupimas augaluose;